Advanced Technologies / Ausblick. «AM mit Kunststoffen heute und. Materialien für die Zukunft»

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1 Advanced Technologies / Ausblick «AM mit Kunststoffen heute und Materialien für die Zukunft» Dr. Manfred Schmid inspire AG, irpd, CH-9014 St. Gallen 1

2 Wissens- und Technologie Transfer (WTT) - Prozess Grundlagen- anwendungs- Technologie- Produktforschung orientierte Forschung entwicklung entwicklung ETH Industrie KMU s Fachhochschulen inspire ist das schweizerische Kompetenzzentrum für Produktionstechnik inspire entwickelt modernste Technologien und Methoden und stärkt damit die Innovationskraft und internationale Wettbewerbsfähigkeit der Schweizer Industrie inspire ist Forschungseinrichtung, Transfereinrichtung und Dienstleistungszentrum! ics Composite Structures iwf Tool machines and production ivp Virtual Production icmi Material Integrity ifa Automation irpd Rapid Product Development (Additive Manufacturing) pd z Product Development (Design for AM) R&D Services 2

3 degree 45 degree 90 degree Additive Manufacturing - small series - Bridging - Implants - Instruments Medical Manufacturing core competences Selective Laser Melting / Selective Laser Sintering, - 3D scanning Rapid Prototyping - Polymers - Metals Process and Material development Reverse Engineering 3

4 Definition: Additive manufacturing (AM), n processes of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing fabrication methodologies. Funktionsprinzip: VDI 3404 additive fabrication rapid technologies Fused deposition modeling - FDM Selective Laser Sintering / Melting SLS / SLM Stereo Lithographie - SLA Multi-jet Modeling - MJM Poly-jet Modeling - PJM Layer Laminated Manufacturing - LLM Digital Light Processing- DLP 3D-Printing 3-DP 4

5 Name Stereolithographie Poly Jet Modelling Multi Jet Modelling Fused Desposition Modelling Layer (Laminated/ Object) Modelling 3D-Printing Selective Laser Sintering Kürzel SLA PJM MJM FDM (home) FDM (industry) LLM / LOM 3D-P SLS Prinzip Badhärtung mit UV-Licht Tropfenabscheidung mit UV-Härtung UV-sensitive Acrylate / Epoxide Tropfen von geschmolzenem Material wachsartige Polymere Filament-Extrusion mit geheiztem Druckkopf (amorphe) Thermoplaste Materialschichten verkleben; Konturen schneiden Papierblätter oder Polymerfolien Klebstoff/Binder in Pulverschicht drucken Pulver aller Art (Gips, Polymer, Metall, ) Aufschmelzen (Laser) und verfestigen (teilkristalline) Polymerpulver Mechanische Eigenschaften Thermische Eigenschaften Ausgangsmaterial Langzeitstabilität Bauteilpräzision Reinigung und Postprocessing Oberflächenbearbeitung Einsatzfeld RP RP RP RP RP/(AM) RP RP RP / AM Kunststoffe-Xtra: Ausgabe September 14 - Sondernummer 3D-Druck Additive Manufacturing (AM) 3D Printing (3-DP) und Rapid Prototyping (RP) Additive Manufacturing is the manufacture of end-use component parts using Additive Layer Manufacturing processes (ASTM) - Selective Laser Sintering & Melting (SLS / SLM) - Fused Deposition Modelling (FDM) 5

6 Selective Laser Sintering (SLS) Fused Deposition Modelling (FDM) Fortus 900mc Das ultimative 3D-Produktionssystem Material: - teilkristalline Thermoplaste PA Material: - amorphe Thermoplaste PC, ABS, PLA, PEI (Ultem!) 6

7 Commercial Materials: Market share: PA12 unfilled: PA12 filled: PA11 unfilled: 3D-Systems, EOS, Arkema, ALM, Exceltec differs in particle distribution and recyclability 3D-Systems, EOS, ALM, Exceltec, Windform mainly: aluminum, glass beads, carbon & mineral 3D-Systems, EOS, Arkema, ALM, Windform difficult to process but excellent EaB 90-95% Exotic polymers : PEEK, PP, PS, TPU, PEPA(X) SLS - Standardpolymere SLS-Powders state of the art PA12 / PA11 for SLS in comparison Crystal structure Melting point SLS Process window Recyclability E-modul (MPa) Tensile strength Elongation at break Impact strength (Izod) PA12 (Evonik) γ- monoklin C large (>10 C) good ca. 1'500 MPa 43 MPa 14% 32 J/m PA11(Arkema) α-triklin C small (<5 C) limited ca. 1'500 MPa 37 MPa 47% 74 J/m - suitable sintering temperatures (large window) - low melt viscosity (for medium mol weight (M w )) - Intrinsically good mechanical properties (H-bonds) 7

8 Properties of the commercial PA 12 and PA 11 materials PA12 Young's Modulus XY [MPa] PA12 -CF PA12 Al PA12 GB/MF PA12 PA11 PA12 Glass Beads PA12 Carbon fibers PA12 Aluminum PA 11 PA 11 filled Elonga on at break XY [%] Anisotropy of properties XY-direction Z-direction Tensile strength [MPa] still 10-30% loss of mechanical properties in Z-direction 10 0 PA12 types PA11 types reinforced types 8

9 SLS-Materialien: icopp icopp poly propylene (PP) for Selective Laser Sintering! authorized by: outstanding impact and chemical resistance sterilisable (medical) sealability with other PP-parts SLS-Materialien: Polyurethan First TPU for SLS from Lehmann & Voss - tricky to process; - great detail resolution; - high flexible material; but: not to be sold to USA for patent/licence reasons actually! outstanding Elongation at break EaB > 350% 9

10 Quelle EOS O O O C n Lasergesinterter Lüftungskanal aus PEEK HP3 (EOS) für die Luftund Raumfahrttechnik Materialien für die Luftfahrtindustrie! Projekte für flammhemmende SLS-Werkstoffe 10

11 Laufende Projekte Optimierung Autoklima (für Elektrofahrzeuge) Partner: Weidmann, Empa (Simulationen am Fahrzeug) Fokus: -Steigerung der Klimaleistung um > 50% durch neue SLS-Werkstoffe Injection moulding (IM) Patent for IM concept 1952 hand press before WW II IM: years of development Laser Sintering (SLS) 11