Potentiale und Chancen der additiv en Fertigung Aachener Zentrum für 3D-Druck Institut für werkzeuglose Fertigung IwF

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1 Potentiale und Chancen der additiv en Fertigung Aachener Zentrum für 3D-Druck Institut für werkzeuglose Fertigung IwF Dipl.-Wirt.-Ing. Sebastian Bremen Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt Infoveranstaltung Zukunftstechnologie 3D-Druck Euskirchen, 27. April 2017

2 Einleitung 1. Was ist Additive Fertigung? 2. Welche Werkstoffe lassen sich additiv verarbeiten? 3. Welche Möglichkeiten bietet die additive Fertigung? 4. Wo wird die additive Fertigung bereits eingesetzt? 5. Wie können wir Sie beim Einstieg in die additive Fertigung unterstützen?

3 Was ist Additive Fertigung? Subtraktive Fertigung Herstellung der gewünschten Geometrie aus Halbzeug durch Abtragen definierter Bereiche Quelle: Generative Fertigungsverfahren, Andreas Gebhardt, Hanser Verlag (2013)

4 Was ist Additive Fertigung? Subtraktive Fertigung Formative Fertigung Herstellung der gewünschten Geometrie aus Halbzeug durch Abtragen definierter Bereiche Umformen eines gegebenen Volumens in gewünschte Geometrie unter Randbedingung Volumenkonstanz Quelle: Generative Fertigungsverfahren, Andreas Gebhardt, Hanser Verlag (2013)

5 Was ist Additive Fertigung? Subtraktive Fertigung Formative Fertigung Generative Fertigung Herstellung der gewünschten Geometrie aus Halbzeug durch Abtragen definierter Bereiche Umformen eines gegebenen Volumens in gewünschte Geometrie unter Randbedingung Volumenkonstanz Automatisiertes Aneinanderfügen von Volumenelementen (Schichten) Quelle: Generative Fertigungsverfahren, Andreas Gebhardt, Hanser Verlag (2013)

6 Was ist Additive Fertigung? 3D-CAD Modell Datenaufbereitung für SLM-Maschine Pulverwerkstoff

7 Was ist Additive Fertigung? 3D-CAD Modell Substratplatte in Maschine einlegen Datenaufbereitung für SLM-Maschine Auftragen der Pulverschicht Absenken des Bauteils Pulverwerkstoff Schmelzen des Pulvers durch den Laserstrahl

8 Was ist Additive Fertigung? 3D-CAD Modell Substratplatte in Maschine einlegen Pulver entfernen; Substratplatte herausnehmen Datenaufbereitung für SLM-Maschine Auftragen der Pulverschicht Absenken des Bauteils Bauteil von Substratplatte lösen; Stützstrukturen entfernen Pulverwerkstoff Schmelzen des Pulvers durch den Laserstrahl Bauteil mit definierter Geometrie

9 Was ist Additive Fertigung?

10 Welche Werkstoffe lassen sich additiv verarbeiten? Stähle Aluminium AlS i9cu3 AlS i12 AlS i7mg AlS i10mg AlMgSc Superleg. Has telloy X IN625 IN718 IN738 IN738LC IN939 MAR M247 MAR M509 René142 Titan Ti6Al4V Ti Grade 2 Magnesium AZ91 WE43 Kupfer CuCrZr (K150) CuNiSi (K220) CuNiCo (K265) Sonstige Fettgedruckt: Für kommerzielle Anlagen qualifiziert/erhältlich CoCr (ASTM F75) CoCrMP1 CoCrS P2 Entwicklung (16MnCr5) Hartmetalle (WC-Co) Al-CNT Mg-Ca-Zn PLA-CC (Polymer) Ti-/Fe-Aluminide Nicht aufgeführte Werkstoffe können unter Umständen verarbeitet werden, wurden aber noch nicht ausreichend untersucht.

11 Welche Möglichkeiten bietet die additive Fertigung?

12 Welche Möglichkeiten bietet die additive Fertigung?

13 Welche Möglichkeiten bietet die additive Fertigung?

14 Welche Möglichkeiten bietet die additive Fertigung?

15 Welche Möglichkeiten bietet die additive Fertigung? Flexible Produktion: Schnelle Verfügbarkeit von Kleinserien & Funktionsprototypen Funktionale Integration - Realisierung mehrerer Funktionen in einem Bauteil Leichtbau von Funktions- und ressourcenoptimierten Bauteilen Funktionsprototypen BMW ( pro Jahr in Losgröße 1-100), Quelle: BMW Kanäle & Kühlstrukturen Angepasste mech. Eigenschaften Integralbauweise monolithische Fertigung einer Baugruppe Monolithische Kerosineinspritzdüse, Quelle: GE

16 Wo wird die additive Fertigung bereits eingesetzt? Dental impression Digital Photonic Production Treatment Digitalization Data preparation Manufacturing Postprocessing Shipping Individualisierte Serienproduktion seit 2003 ca. 1 minute pro Krone 48h Lieferzeit (vom Zahnabdruck bis zur Nachbearbeitung)

17 Wo wird die additive Fertigung bereits eingesetzt? GE Aviation Industry (USA): Einspritzdüse für ein Flugzeutriebwerk Pro Triebwerk 777x 20 Einspritzdüsen Screening des Bauteilportfolios zur Identifikation einer SLM-geeigneten Komponente Einsatz SLM-Verfahren: Redesign der Einspritzdüse -> SLM-gerechte Konstruktion Direkte monolithische Fertigung der Einspritzdüse mittels SLM Substitution von Fügeprozessen Dauerfestigkeit um Faktor 5 gesteigert Quelle: GE Aviation Quelle: GE Aviation

18 Wo wird die additive Fertigung bereits eingesetzt? MTU Aero Engines (Deutschland): Kurz- und Mittelstreckenflugzeug A320Neo Zulieferer für Triebwerkshersteller Pratt&Wittney Ziel: 15% weniger Treibstoffverbrauch Ausnutzung Design- und Geometriefreiheit SLM- Fertigung Derzeit Nutzung Urformprozess oder Zerspanung aus dem vollem Material Einsatz SLM-Verfahren: Fertigung des Boroskopauges mittels SLM Material: IN718 Turbinenschaufeln mittels Endoskop hinsichtlich Zustand und Abnutzung schnell kontrollieren Ziel: 2000 Bauteile/Jahr Quelle: MTU/EOS Quelle: Airbus

19 Aachener Zentrum für 3D-Druck Klein-und mittelständische Unternehmen (KmU) sehen zunehmendes Potential und Chancen in AM Herausforderungen: Hohe Investitionskosten Anlagentechnik Ausbildung/Schulung von Mitarbeitern Langjährige Kompetenzen im Bereich AM von FH Aachen, IwF und Fraunhofer ILT bündeln um Industrie zielgerecht beim Einstieg zu unterstützen Das Aachener Zentrum für 3D Druck bietet KmU: Beratung und Unterstützung beim Einstieg in AM Machbarkeitsstudien und F&E Herstellung von Prototypen und Kleinserien Schulung und Weiterbildung AM uvw.

20 Anlagentechnik Aachener Zentrum für 3D-Druck Las ers trahls chm elzen Metall S tereolithographie Extrusionsverfahren (FLM) Las ers intern (Polymer) Ausstattung vor- und nachgelagerte Prozessschritte (Daten, Endbearbeitung) Analytik (Mikroskopie, Metallografie etc.) Umfangreiche Ausstattung im Bereich AM vorhanden

21 Leistungsangebot Aachener Zentrum für 3D-Druck Konzeption Funktions-, Kostenund Zeitanalyse SLM-gerechte Konstruktion Datenvorbereitung Reverse Engineering Additive Manufacturing Bauteilfertigung Machbarkeitsstudien Werkstoffspektrum Metallurgische Analyse Nach- und Endbearbeitung Mech. Nacharbeit Trowalisieren Wärmebehandlung Qualitätsanalysen gemäß VDI-Standards

22 Projektbeispiel 1: Aachener Zentrum für 3D-Druck Motivation: Zunehmender Bedarf nach Einsatzund Vergütungsstählen Häufig verwendete Konstruktionswerkstoffe Maschinen- und Anlagenbau Entwicklung einer SLM-Prozessführung für die Werkstoffe 42CrMo4 und 16MnCr5 Ergebnis: Durch Anpassung Prozessführung defektfreie additive Verarbeitung der Werkstoffe möglich Studie mit FVA zum Einsatz AM bei der Fertigung von funktionsangepassten Zahnrädern Querschliff 16MnCr5 Stand der Technik Rissbildung Querschliff 16MnCr5 mit angepasster Prozessführung

23 Projektbeispiel 2: Aus- und Weiterbildung (IwF) Schulungen: Seminare zu den Grundlagen von AM AM-gerechten Konstruktion Workshops Produktgestaltung/Redesign Consulting/Beratung: Applikationsnahe Prozessketten Expertise/Know-How Beratung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Qualifizierung, Infrastruktur etc. Enge Zusammenarbeit mit Handwerkskammer AC Integration Thema AM in Meisterausbildung Handwerk

24 Projektbeispiel 2: FabBus der FH Aachen Erlernen der AM-Technologien v or Ort Konstruktionsarbeitsplätze: Erlernen AMgerechte Konstruktion 3-D Drucker: Direkte additive Fertigung des neu konstruierten Bauteils

25 Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT Steinbachstrasse 15, Aachen Dipl. Wirt.-Ing. Sebastian Bremen Tel: +49-(0)241/ Fachhochschule Aachen Goethestraße 1, Aachen Prof. Dr. Andreas Gebhardt Tel: +49-(0)241/ Institut für werkzeuglose Fertigung IwF Campus Boulevard 79, Aachen Julia Kessler, M. Eng. Tel: +49-(0)241/