Technologien der additiven Fertigung. Georg Schwalme 25. September 2014

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1 Technologien der additiven Fertigung Georg Schwalme 25. September 2014

2 Kompetenzzentrum Additive Fertigung Materialentwicklung Prozessoptimierung Qualitätssicherung Additive Fertigung Anwendung Prozess- modellierung Schulung 5

3 Rapid Prototyping, generative Fertigung Carl Deckard, Joe Beamen: Austin American-Statesman SLS Anlage Bambi 1987 (University of Texas)

4 Gemeinsamkeiten Bauprinzip: Aufbau des Teilevolumens aus vielen dünnen Schichten Baufortschritt in Z-Richtung (Höhenrichtung) am geringsten Baufortschritt meist im Bereich mm/h (Range 2-70 mm/h) Ablauf: Export des CAD-Modells als STL-Dreiecksnetz Import in Aufbereitungssoftware - Korrektur von Netzfehlern (offene Kanten, falsche Normalenrichtung etc.) - Positionierung des Modells im Bauraum der Maschine - Aufteilung in viele Einzelschichten (Slicen) => Außen- und Innenkonturen des Querschnitts inkl. Füllmuster als 2D-Kurven - Festlegung der Prozessbedingungen Übergabe an die Maschinensteuerung

5 Reihenfolge der Patentierung SLA 3D Systems SLS DTM LOM Helisys FDM Stratasys 3DP MIT 8

6 SLA (Stereolithografie) Anmeldung von Chuck Hull (heute 3D Systems) US vom bzw. EP A2 am

7 SLA (Stereolithographie) 3 Verfahrensvarianten: Abfahren der Kontur mit einem Laser Gleichzeitige Belichtung der ganzen Fläche über eine Lichtquelle + DLP- Chip (Beamer-Prinzip) Gleichzeitige Belichtung der ganzen Fläche über eine Lichtquelle + Maske Hersteller SLA mit Laser: 3D Systems Materialise (AAROFLEX)

8 SLA (Stereolithographie) Hersteller SLA mit DLP-Chip: Z Corporation ZBuilder Ultra: Flüssiges Photopolymer Bauraum 260 x 160 x 190 mm³ Schichtdicke µm Auflösung XY 138 µm Baufortschritt 12,7 mm/h

9 LOM (Laminated Object Manufacturing) Prinzip: Kunststofffolie oder Papierbahnen mit einer Haftschicht oder Binder Aufbringung einer neuen Lage Ausschneiden der Modellkontur mit einem Laser oder Messer Eigenschaften: Preisgünstiger Werkstoff Keine Verzugsneigung auch bei sehr großen Modellen Relativ geringe Detailauflösung Aufwändige Restmaterialentfernung Bei Papier Harzinfiltration für bessere Haltbarkeit und Oberfläche nötig Farbe durch Bedrucken des Papiers möglich Baufortschritt bei aufwändigen Konturen < 2 mm/h +

10 LOM (Laminated Object Manufacturing) Hersteller: Cubic Technologies - Nur noch Wartung alter Helisys-Maschinen Solido Mcor - SD 300 pro: PVC-Folie 0,17 mm - Ab ca Kopierpapier A4 - Auch Modell mit integriertem Farbdrucker Bauraum 160 x 210 x 135 mm³ Schichtdicke 168 µm Bauraum 256 x 169 x 150 mm³ Schichtdicke 100 µm

11 3D-Printing Prinzip: Dünne Schicht gipsartiges Pulver Aufbringung flüssiges Bindemittel über InkJet -Druckkopf Aufrakeln einer neuen Pulverschicht Eigenschaften: Farbmischung durch Mehrfachdruckköpfe prinzipiell möglich Werkstoff sehr spröde Nachträgliche Harzinfiltration sinnvoll Kein Stützmaterial nötig Vollständige Wiederverwertung des überschüssigen Pulvers Sehr schnell +

12 3D-Printing Hersteller: voxeljet - Deutscher Anbieter - Keine Mehrfarbigkeit - Maschinen ab voxeljet VX500: Bauraum 500 x 400 x 300 mm³ Schichtdicke 80 µm Auflösung XY 42 µm

13 3D-Printing Hersteller: voxeljet - Kontinuierlich arbeitende Maschine - Großmaschine bis 4 x 2 x 1 m

14 MJM Prinzip: Aufbringung eines flüssigen Photopolymers durch einen InkJet -Druckkopf (MJM = Multi-Jet Modeling) Aushärten durch UV-Licht Eigenschaften: Mehrere Materialien in einem Modell möglich Mischung der Materialien beim Auftrag => Steuerung der Farbe, Härte etc. Auch weiche Werkstoffe möglich Sehr hohe Auflösung (Schichtdicke 16 µm) => feine Details, gute Oberfläche Laut 3D Systems beste Detailtreue Stützmaterial notwendig +

15 MJM Hersteller: Stratasys (vorm. Objet; Israel) - Gründung aufgekauft von Stratasys - Günstigster 2K-PolyJet Material /kg Objet260 Connex: Bauraum 255 x 252 x 200 mm³ Schichtdicke µm Auflösung XY 42 µm +

16 Fused Deposition Modelling Anmeldung von Scott Crump Stratasys US A vom

17 FDM (Fused Deposition Modeling) Produktionsmaschinen: Stratasys Fortus-Serie Volles Werkstoffspektrum Preis für Freischaltung eines Werkstoffs: Werkstoffpreis ca /kg Prozessparameter sind in einem Chip am Materialbehälter abgelegt und nicht veränderbar + Fortus 400mc: ab Bauraum 406 x 356 x 406 mm³ Schichtdicke µm

18 FFF (Fused Filament Fabrication) Prinzip: Thermoplast in Drahtform (z.b. ABS, PC) Aufschmelzen in beheizter Düse und Austrag als dünner Strang Abfahren der Modellkontur Absenken der Bauplattform um eine Schichtdicke Eigenschaften: Breite Werkstoffauswahl möglich Teilweise große Schichtdicken, gröbere Details, schlechte Oberfläche Verzug möglich Teilweise Stützstrukturen nötig Baufortschritt ca g/h Materialpreis ca /kg Ultimaking LTD Ultimaker 21

19 SKZ Drucker 22

20 SKZ Drucker 23

21 Video FFF (FDM) 24

22 Selective Sintering Anmeldung von Carl Deckard (University of Texas) WO 88/02677 vom Seither 248 EP Anmeldungen von 3D Systems und 159 EP Anmeldungen von EOS Quelle: DEPATISnet 25

23 SLS (Selective Laser Sintering) Prinzip: Schicht aus feinem Thermoplastpulver (z.b. PA12) Erwärmen der gesamten Schicht knapp unter Aufschmelztemperatur mittels IR-Strahler Abfahren der Modellkontur mit einem Laser => Pulver schmilzt an Absenken der Bauplattform und Aufrakeln einer neuen Pulverschicht Eigenschaften: Prinzipiell breite Werkstoffauswahl möglich 26 Oberfläche porig und rau Keine Stützstrukturen nötig Nur teilweise Wiederverwendung des Pulvers wegen thermischer Schädigung Absaugung nötig wegen Staubentwicklung Baufortschritt ca mm/h Materialpreis ca. 50 /kg EOS Formiga P 100

24 SLS (Selective Laser Sintering) Hersteller: 3D Systems (USA) EOS (D) Farsoon (China) Bauraum 200 x 250 x 330 mm³ Schichtdicke µm Auflösung XY 50 µm Baufortschritt 24 mm/h

25 SLS Verarbeitungstemperaturen 32

26 Temperaturen im Bauprozess Pulverbett (IR Strahlungsbeheizt) z.b. 168 bis 170 C für EOS PA 2200 (PA12) Entnahmekammer (Behälter): 150 C Ziel: IR Kamera zur Temperaturüberwachung 33

27 Laser für SLS Prozesse Die Bearbeitung von Kunststoffen erfolgt wegen der hohen Absorbtion der Laserenergie meist im fernen Infrarotbereich (CO2 Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm und z.b. 30 W Laserleistung). Bild: EVONIK 34

28 Belichtungsparameter im SLS Prozess [WOI05] 35

29 Schwindung x/y [%] Unterschiedliche Schwindung im Bauraum 3,3 3,2 3,1 y Z-Achse [mm] 3 0 x/2 x ,5 2 2,5 Schwindung in Z-Richtung [%] 36

30 Korrekturen 1 Durchmesser des Laserstrahls 2 Aushärtezone des Pulvers 37

31 Verfahrensbedingte Geometrieabweichungen Die Geometrie des Laserstrahls und der schichtweise Aufbau von SLS Bauteilen verursachen geometrische Ungenauigkeiten Bild: [KAD10] 38

32 Curling Effekt Wenn eine vorhergehende Schicht bereits geschrumpft ist, bewirken die aus der Schrumpfung der nächsten Schicht entstehenden Spannungen einen Bauteilverzug, der als Curling bezeichnet wird. Ein derart verzogenes Bauteil wird beim Auftragen einer neuen Pulverschicht verschoben oder abgestreift. 39 Bild: [PFI05]

33 Curling Effekt 40

34 Pulvernutzungsdauer Materialausnutzung je Bauprozess oft unter 30 % Temperaturen von z.b. 150 C für mehr als 12 Stunden je Bauprozess Alterungseffekte: Kettenaufbau durch Nachvernetzung und radikalisch induzierter Kettenabbau 41 [WEG12]

35 Break Even / Beispiel Probekörper Materialpreis / Teil (15 g PA) 0,75 0,05 Kosten / Teil ca. bei Stückzahl - 1 Stck Stck Stck 5 3, Stck 5 0,14 Ausbringung / 24 h 500 Stck Stck (2-fach Form) 44

36 Beispiel GPS-Befestigung für Fahrräder 45

37 Preise & Kosten 1 kg ABS Draht (FDM) kg PA12 Pulver (SLS) cm³ SLS Bauteil (Shapeways) 1,40 $ Speziell bei SLS heute noch sehr hoher manueller Aufwand: - Teile auspacken und reinigen - Maschine reinigen Automatisierte Lösungen sind der nächste Schritt 46

38 Additiv / Spritzgießen Konstruktive Freiheitsgrade (Hinterschnitte, Füllstrukturen, Entformung) Montage im Herstellprozess Prozessmodellierung / Simulation Anisotrope Bauteileigenschaften Reproduzierbarkeit Qualitätssicherung Prozessautomatisierung Werkstoffverfügbarkeit 47 Bild: Kruth et al

39 Globale Trends Konflikt Open Source Closed Source Makerbot: Closed Source seit Einstieg einer Finanzgesellschaft Bits From Bytes: Aufgekauft von 3dsystems Cube Printer, fabbster: Profi -Firmen dringen in den Hobbymarkt Patentklage gegen Formlabs (MIT- Ausgründung) und Kickstarter 51

40 Globale Trends Konflikt Open Source Closed Source Makerbot: Closed Source seit Einstieg einer Finanzgesellschaft Bits From Bytes: Aufgekauft von 3dsystems Cube Printer, fabbster: Profi -Firmen dringen in den Hobbymarkt Patentklage gegen Formlabs (MIT- Ausgründung) und Kickstarter Stratasys: Patente im Bereich Drucken von Schokolade 52

41 Globaler Wettbewerb Zunehmender Wettbewerb kann sowohl die Umsetzung von Innovationen beschleunigen als auch die Materialpreismonopole durchbrechen. 53

42 35 Jahre später Apple 2012 Apple II (1977) Zuse Z3 (1941) 54

43 nach 25 Jahren EOS 2012 SLS Anlage Bambi 1987 (University of Texas) 55

44 Zusammenfassung Additive Fertigungsverfahren eröffnen völlig neue, innovative Gestaltungsmöglichkeiten Sie bieten enorme Einsparpotentiale (Zeit und Investitionen) bei Kleinserien, Ersatzteilen, Aus Rapid Prototyping wird Additive Manufacturing - Additive Serienfertigung ist bei manchen Anwendungen bereits heute Realität Die verfügbaren Technologien weisen, historisch bedingt, sehr hohe Rationalisierungspotentiale auf Wettbewerb kann den Markt nachhaltig dynamisieren Qualifizierte Aus- und Weiterbildung muss auch für additive Technologien verfügbar sein Verfahren zur systematischen Qualitätssicherung sind zu entwickeln Möbiusschleifen Mobius Nautilus : shapeways.com 56

45 Literatur [3DS12] 3D Printing Surs a Manufacturing Revolution, Case Study 3D Systems, [DIN11] Bericht zur Sitzung des Normungsausschusses NA AA Berlin [DRU11] Drummer, Dietmar: Kunststoffverarbeitung Additive Fertigung, Skript zur Vorlesung Sommersemester [KAD10] Kaddar, W.: Die generative Fertigung mittels Laser-Sintern: Scanstrategien, Einflüsse verschiedener Prozessparameter auf die mechanischen und Thermoplasten und deren Nachbearbeitungsmöglichkeiten optischen Eigenschaften beim LS von Thermoplasten und deren Nachbearbeitungsmöglichkeiten; Dissertation; [PFI05] Pfister A.:Neue Materialsysteme für das Dreidimensionale Drucken und das Selektive Lasersintern; Dissertation; 2005 [RIE09] Rietzel, Dominik; Kühnlein Florian; Drummer, Dietmar: Selektives Lasersintern von teilkristallinen Termoplasten; Aufsatz im Rtejournal 2009 ( [SCH08] Schäfer, R.:Design Guidelines for Rapid Prototyping Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien für ein fertigungsgerechtes Gestalten anhand des Fused Deposition Modeling; Master Thesis; 2008 [WEG12] Wegner A, Witt G: Betrachtung zur Pulvernutzungsdauer beim Laser-Sintern und Einfluss der Prozessführung auf die Entstehung von Ausschussbauteilen. RTejournal - Forum für Rapid Technologie, Vol (urn:nbn:de: ) [WOI05] Woicke, n.;wagner, T.;Everer, P.: Rußunterstütztes Lasersintern von Thermoplasten, Konferenzbeitrag Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium;

46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit