Einführung in den 3D-Druck Grundlagen, Verfahren, Begriffe

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1 Einführung in den 3D-Druck Grundlagen, Verfahren, Begriffe : Chancen und Herausforderungen durch 3D-Druck , Ludwigshafen am Rhein 1

2 Gliederung Lehrstuhl Begrifflichkeiten Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika Prozesskette Normung Fazit 2

3 Forschungsprofil Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau () Forschungsprofil Konzeption von Produktentwicklungsprozessen Methodische Produktentwicklung Systemmodellierung und Simulation Prüfstands- und Feldversuche Nutzfahrzeugtechnik Allgemeiner Maschinenbau Forschungsschwerpunkt AM: Integration der additiven Fertigung in den Produktentwicklungsprozess und Produktlebenszyklus Identifizierung technisch-wirtschaftlich geeigneter Komponenten für die additive Fertigung Bauteilauslegung und optimierung Designrichtlinien 3

4 Ausstattung (TU) Software: Alle gängigen industriell genutzten Softwarepakete 3DXpert AM-Anlagen Fused Layer Modeling (FLM) 254 x 254 x 305 mm Color Jet Printing (CJP) 254 x 381 x 203 mm Laser Beam Melting (LBM) 275 x 275 x 420 mm Prüfstände Quelle: 3D Systems multiaxiale servo-hydraulische Testsysteme zum Prüfen kompletter Bauteile unter komplexer, realitätsnaher Belastung. 4

5 Gliederung Lehrstuhl Begrifflichkeiten Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika Prozesskette Normung Fazit 5

6 Begrifflichkeiten /Additive Manufacturing (3D Druck) Verfahren zur schichtweisen und werkzeuglosen Herstellung von Bauteilen. Rapid Prototyping Prototypenfertigung, eingeschränkte Funktionalität Rapid Tooling Herstellung von Werkzeugen, Formen oder Formeinsätzen für klassischen Fertigungsverfahren (urformenden/umformenden) Rapid Manufacturing Herstellung von Funktionsbauteilen Hybride Fertigung im konv. Bearbeitungszentrum z.b. Laser Metal Deposition; Bauteil z.t. konventionell, z.t. additiv gefertigt (miteinander verbunden) Quelle: VDI

7 Gliederung Lehrstuhl Begrifflichkeiten Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika Prozesskette Normung Fazit 7

8 Vorteile Werkzeuglos und bedarfsgerechte Bereitstellung Verzicht auf Lagerhaltung einfache Anpassung Individualisierung komplexe Formen realisierbar konturnahe und bionische Strukturen Leichtbau und Materialeffizienz Integralbauweise 8

9 Verfahrensübersicht Ausgangszustand folienförmig pulverförmig strang-/ drahtförmig flüssig Verfahrensprinzip Verkleben und Schneiden Verfestigung durch Bindern Punktweises Härten durch Strahlung Aufschmelzen und Aufspritzen Aushärten durch Strahlung Werkstoffe Kunststoff, Metall, Keramik, Papier Kunststoff, Metall, Keramik, Formsand Kunststoff, Metall, Keramik, Formsand Metall Kunststoff Photopolymer Fertigungsverfahren Layer Laminated Manufacturing 3D-Printing Laser-Sintern Laser-Strahlschmelzen Fused Layer Modeling Stereolithografie weitere Verfahren siehe z.b. VDI 3405 in Anlehnung an VDI3405, BBW

10 Verfahren: Fused Layer Modelling (FLM) beheizte Düse Linie-für-Linie-Auftrag generiertes Bauteil (Baumaterial) Bauplattform mit Hubtisch Bauplatte solide Stützstruktur (Stützmaterial) Materialvorrat in Drahtform (Baumaterial) Materialvorrat in Drahtform (Stützmaterial) Eigenschaft Vorteil Nachteil Abbildung in Anlehnung anvdi3405 Aufschmelzen und schichtweises Ablegen eines Kunststoffstranges + große Bauteile + einfache Verarbeitung + günstig - nur Polymere - geringe Oberflächenqualität Quelle: VDI

11 Verfahren: Laser-Sintern (LS) Pulvervorratsbehälter Beschichter Laser X-Y-Scanner Verfestigungszone generiertes Bauteil disperse Stützstruktur Überlaufbehälter Hubtisch Eigenschaft Vorteil Nachteil Abbildung in Anlehnung anvdi3405 Punktuelles Sintern einer Pulverschicht mittels Laser + keine Stützstruktur nötig + große Materialpalette + für Keramik geeignet - relativ raue Oberflächen - Anschaffungspreis hoch Quelle: VDI

12 Verfahren: Laser-Strahlschmelzen (LBM) Pulvervorratsbehälter Beschichter Laser X-Y-Scanner Verfestigungszone generiertes Bauteil solide Stützstruktur disperse Stützstruktur Überlaufbehälter Hubtisch mit Bauplattform Abbildung in Anlehnung anvdi3405 Eigenschaft Vorteil Nachteil Punktuelles vollständiges Aufschmelzen einer Pulverschicht mittels Laser + hohe mech. Festigkeit + nahezu poren-/rissfrei + nahezu 100% Dichte - Stützstrukturen notwendig - Hohe thermisch induzierte Eigenspannungen Quelle: VDI

13 Restriktionen Werkstoffspektrum beschränkt AM-gerechte Konstruktion & Fertigung bedarf hohes Know-How Öffnungen für Stützmaterial-/Pulverentfernung geneigte Flächen problematisch richtungsabhängige Materialeigenschaften Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften von Anlage & Material Schichtstärke/Strangdicke maßgeblich für Oberflächenqualität Abbildung nach [VK2007] 13

14 Gliederung Lehrstuhl Begrifflichkeiten Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika Prozesskette Normung Fazit 14

15 Prozesskette Prozesskette nach VDI 3405 Pre-Prozess In-Prozess Post-Prozess Datenvorbereitung Anlagenvorbereitung schichtweiser Bauteilaufbau Entpacken/Entnehmen entfernen Stützstruktur Nachbearbeitungsschritte Prozesskette Ersatzteilbereitstellung Bauteil digitalisieren Ist-Zustand modellieren FE-Analyse durchführen konstruktiv anpassen Prototypen fertigen Bauteil fertigen Bauteil nachbearbeiten Bauteil prüfen 15

16 Gliederung Lehrstuhl Begrifflichkeiten Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika Prozesskette Normung Fazit 16

17 Normen und Richtlinien VDI VDI 3405 sverfahren Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibung VDI 3405 Blatt 1 sverfahren, Rapid Manufacturing Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen Güteüberwachung VDI 3405 Blatt 2 sverfahren Strahlschmelzen metallischer Bauteile Qualifizierung, Qualitätssicherung & Nachbearbeitung VDI 3405 Blatt 3 sverfahren Konstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mit Laser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen DIN DIN EN ISO/ASTM Grundlagen Therminologie DIN EN ISO Grundlagen Teil 2: Überblick über Prozesskategorien und Ausgangswerkstoffe DIN EN ISO Grundlagen Teil 3: Haupteigenschaften und entsprechende Prüfverfahren DIN EN ISO Grundlagen Teil 4: Überblick über die Datenverarbeitung 17

18 Gliederung Lehrstuhl Begrifflichkeiten Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika Prozesskette Normung Fazit 18

19 Fazit Vorteile: werkzeuglos bedarfsgerecht komplexe Formen realisierbar Verfahren: Fused Layer Modeling Laser-Sintern Laser-Strahlschmelzen Handlungsfelder Arbeitssicherheit Ausbildung/Schulung Rechtliche Aspekte Qualitätskriterien Restriktionen: Materialeigenschaften Werkstoffspektrum Gestaltung Anwendungsfelder individuelle Betrachtung Mehrwert generieren Quelle: VDI2016, Aca

20 Leistungsspektrum Lassen Sie uns diese Themen gemeinsam bearbeiten. Strukturoptimierung Bauteilprüfung Reverse Engineering Teiledimensionierung & Partnerinstitute Nachbearbeitung Materialcharakterisierung Bauteilidentifizierung Qualitätssicherung 20

21 Quellen [Aca2016] [BBW2013] [GRS2015] Acatech Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V.: Stellungnahme, 2016 Breuninger, J. ; Becker, R. ; Wolf, A. ; Rommel, S. ; Verl, A.: Generative Fertigung mit Kunststoffen Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern, 1.Auflage, Heidelberg: Springer, 2013 Gibson, I. ; Rosen, D. ; Stucker, B.: Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping and direct digital manufacturing, 2nd ed. New York, NY: Springer, [VDI2016] VDI Handlungsfelder ssysteme, 2016 [VDI2221] [VDI3405] [VDI ] [VK2007] Richtlinie VDI 2221 Mai 1993: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung, Berlin: Beuth-Verlag. VDI-RICHTLINIE 3405: sverfahren Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibungen, Dezember 2014, VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik, Berlin: Beuth-Verlag. VDI-RICHTLINIE 3405: sverfahren, Blatt 3: Konstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mit Laser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen. Ausgabe Februar 2015, VDI- Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL), Berlin: Beuth-Verlag Vandenbroucke, B. ; Kruth, J.-P.: Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts. In: Rapid Prototyping Journal 13 (2007) S