3D Druck oder konventionelles Fertigungsverfahren Möglichkeiten und Entscheidungskriterien Dipl.- Ing. (FH) Peter Volz

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1 29. November D Druck oder konventionelles Fertigungsverfahren Möglichkeiten und Entscheidungskriterien

2 4D Concepts Über 4D Gegründet 1995 mit Sitz in Groß-Gerau Im Herzen des Rhein-Main-Gebietes Perfekte Infrastruktur 24 Mitarbeiter Spezialisten aus Kunststofftechnik, Maschinenbau, Elektrotechnik und natürlich dem Modellbau Über 200 Mannjahren Knowhow in additiven Technologien Modelle, Prototypen und Kleinserien aus Kunststoff in der 4. Dimension der Zeit Große Fertigungstiefe maßgeschneiderte Lösungen Beratung inklusive 3D Drucker Vertriebs- & Service Partner Seit 1998 Professionelle 3D Druckersysteme Beratung Technologieauswahl

3 4D Concepts Portfolio Dienstleistungen Modelle, Prototypen, Kleinserien 3D CAD Konstruktion (SolidWorks, Freeform) Datenübernahme und -aufbereitung (Magics, SolidView, Zbrush,etc) Rapid Prototyping / 3D Druck (CJP, MJM, PJ, SLA, SLS, etc.) Konventioneller Modellbau (Fräsen, Laserschneiden, etc.) Rapid Tooling / Kleinserienfertigung (VG, RIM) Maßgeschneiderte Lösungen für Kunststoffteile von der Stückzahl 1 bis zur Kleinserie Vertrieb und Support von 3D Drucker Systemen Authorisierter Vertriebs- und Servicepartner seit 1998 Beratung, Verkauf und Support über 200 3D Druckersysteme bei Anwendern quer durch alle Branchen Professionelle 3D Druckersysteme mit KnowHow und Support von Spezialisten

4 3D Druck Hype oder Realität? Hype? 3D Drucker lösen eine industrielle Revolution aus Häuser per 3D Druck Menschliche Organe per 3D Druck Schuhe aus dem 3D Drucker Waffen aus dem 3D Drucker Komplette Fahrzeuge aus dem 3D Drucker Flugzeugteile per 3D Druck NASA druckt Ersatzeile im Weltall etc. Realität Standardtechnologie in der Entwicklung Modelle, Prototypen, Kleinserien Verkürzung von Entwicklungszeiten (PKW früher 8-10 Jahre Modellwechsel, heute nach 2 Jahren erstes Facelift) Fertigungslösung in Nischen z.b. Hörgeräte, Brillen, Schmuck z.b. Betriebsmittel / Sondermaschinenbau (Aufnahmen, Halter, Greifer) z.b. Implantate in Dental und Medizin und einige mehr Global Player investieren in 3D Druck die MultiJetFusion Technologie von HP (verfügbar seit 2017) die Lasersinteranlagen von Ricoh (erstmals vorgestellt 2016) General Electric (GE) übernimmt Concept Laser und Arcam (2016) Große Materialhersteller steigen in Werkstoffentwicklung für 3D Druck ein (BASF, Lehmann & Voss, Henkel, Solway, etc) Und vieles mehr Ist 3D Druck generell als Fertigungsverfahren geeignet?

5 Was ist 3D Druck? Ein 3D Drucker ist eine Ausgabeeinheit für 3D Daten. 3D Datensatz 3D Drucker Bauteil Rapid Prototyping 3D Druck additve Fertigung Schichtweise additiv (generativ) nahezu ohne geometrische Limitierungen Nutzen: schnelle Verfügbarkeit von Modellen, Prototypen, Bauteilen direkt aus digitalen 3D Daten Designüberprüfung, Variantenerprobung, Einbau- / Zusammenbauüberprüfung, Funktionsprototypen, Präsentation, Kommunikation, etc Effizienz bei Stückzahl 1 Complexity for free

6 3D Drucker Kategorien 3D Drucker Professionelle 3D Drucker Heimanwender / Einsteiger Rapid Prototyping Produktionssysteme additive Fertigung Aktuell fast alle Produkte auf Basis FDM oder FFF - Strangablageprinzip Günstige Einstiegslösungen mit großen Limitierungen bei Geometrie, Bauteilqualität und Zuverlässigkeit, etc. Selbst ist der interessierte Bastler von Montage bis Support (Einschicken beim Hersteller) Einsatz: Modelle ohne Anspruch auf Qualität und sicheres Druckergebnis / Termin Typischer Anwender: Hobby / eingeschränkt Schulen Invest < 10 K Verschiedene Druckprinzipien wie z.b. CLP, PJ, MJP, FDM, DLP, etc 3D Ausgabeeinheit für 3D Daten Bedienung durch Entwickler, Designer, Konstrukteur ohne großes Technologie KnowHow Einsatz: Schnelle Verfügbarkeit von Modellen von Formfindung bis Kommunikation Typischer Anwender: Design, Konstruktion, Marketing, Vertrieb, Hochschule / Ausbildung, etc. Invest < 100 K Verschiedene Fertigungsprinzipien wie z.b. SLS, SLA, LC, SLM, MJF, DMLS, EBM, FDM, etc Fertigungssysteme für Prototypen und eventuell auch Serienteile Aufwand vergleichbar Bearbeitungszentrum (Platzierung in Werkstatt / Fertigung) Bedienung durch speziell geschulte Maschinenbediener Einsatz: Fertigung von Prototypen und Kleinserien nah an Funktions- bzw. Serienqualität Typischer Anwender Engineering, Fertigung, etc. Invest ab 100 K (200 K )

7 3D Druck - Technologieüberblick 3DP 3D Printing FFF Fused Fillament Fabrication FDM Fused Deposition Modelling SL Stereolithographie SLS Selektives Lasersintern DMLS direktes Metall Laser Sintern LC Laser Cusing EBM Electron Beam Manufacturing MJP Multi Jet Printing PJP - Poly Jet Printing Clip Continous Liquid Interface Production MJF Multi Jet Fusion SHS Selective Heat Sintering DLP Digital Light Processing SLM Selective Laser Melting LCM - Lithography-based Ceramic Manufacturing LENS - Laser Engineered Net Shaping CJP Color Jet Printing LOM Laminated Objetc Manufacturing uvm Auch beim 3D Druck gibt es keine Eierlegende Wollmilchsau Alle Verfahren haben Vorteile und Limitierungen Auswahl des geeigneten 3D Druckverfahrens über Technische Anforderungen Anwendungsfall Kaufmännische Bewertung

8 3D Druck Stärken und Schwächen Stärken Keine geometrische Limitierung (complexity for free) Designfreiheit Funktionsintegration Reduktion der Bauteilanzahl / Baugruppen Gewichtsreduktion Je komplexer das Bauteil, desto größer der Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren Effizient bei Stückzahl 1 Kundenspezifische Produkte (Customisation) Schnelle digitale Produktanpassung Je geringer die Stückzahl, desto größer der Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren Keine Werkzeuge und Formen Schnelle Verfügbarkeit Geringe Fixkosten / Erstinvestitionen Keine Lagerhaltung Schwächen Geringe Werkstoffauswahl Spezialwerkstoffe (hohe Kosten) keine Anforderungsbezogene Werkstoffauswahl Bauteilqualität Einschränkungen bei Oberflächenqualität, Toleranzen, Farbauswahl,etc Bauteileigenschaften unterschiedlich in x,y,z (Schichtbauprinzip) Reproduzierbarkeit Maschine zu Maschine, Fertigungslauf zu Fertigungslauf Bauteilorientierung und Lage im Bauraum Betriebsumgebung Steuerung bei aktuellen 3D Druckern keine Regelung Ineffizient bei Serienfertigung Grenzstückzahl Bauteil abhängig Je kleiner ein Bauteil, desto höher die Grenzstückzahl KnowHow und Standardisierung Wenig additives KnowHow bei Konstrukteuren Kaum etablierten Standards Daumenregel 3D Druck kann Lösungen bei Anforderungen bieten, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht machbar sind und/oder wirtschaftlich keinen Sinn machen.

9 Entscheidungskriterien Technisch Sind die technischen Anforderungen mit additiven Verfahren realisierbar? Technische Anforderungen Werkstoff Belastung Festigkeit Abriebfestigkeit etc Beständigkeit Thermisch Chemisch etc Funktionalität Gasdichtigkeit Flüssigkeitsbeständigkeit etc Zulassung / Zertifizierung UL 94 (Flammschutz) 93/42/EWG (Medizinprodukte) etc Optik Oberflächenqualität Sichtbau Farbe etc 3D Druckverfahren Technologie SLS, SLA, LC, SLM, FDM, etc Werkstoff Verfügbare Werkstoffauswahl je nach 3D Druckverfahren Bauteilorientierung Abhängig von Bauteilgeometrie und Fertigungsverfahren Auswirkung auf Bauteilqualität Nachbearbeitungsprozess Prozess abhängig Oberflächenbearbeitung etc Daumenregel Fertigungsgerechte Konstruktion - 3D Druck bietet dann eine Fertigungslösung, wenn ein Bauteil / Baugruppe schon in Design und Konstruktion auf die additive Fertigung ausgelegt wird.

10 Entscheidungskriterien Kaufmännsich Kaufmännische Bewertung 3D Druck versus konventionelle Fertigung Bewertungskriterium 3D Druck Formgebundenes Fertigungsverfahren Fixkosten Werkzeugkonstruktion keine hoch Werkzeugbau keine sehr hoch Lagerhaltung / Wartung keine moderat Technologiekosten Maschinenstundensatz hoch moderat Werkstoffkosten sehr hoch niedrig Nachbearbeitungsaufwand hoch niedrig Zeit / Verfügbarkeit 1 x Stunden / Tage Wochen / Monate x Wochen / Monate Wochen / Monate Daumenregel Je kleiner die benötigte Stückzahl, desto effizienter ist der 3D Druck. Die Grenzstückzahl hängt vom einzelnen Bauteil ab.

11 Zusammenfassung Entscheidungskriterien Mit additiven Verfahren lassen sich nicht 1:1 technische Anforderungen aus konventionellen Fertigungsverfahren realisieren Werkstoffpalette Bauteilhomogenität Reproduzierbarkeit Der Nutzen von additiven Verfahren steigt mit fertigungsgerechter Bauteilgeometrie Komplexe Strukturen Funktionsintegration Gewichtsreduktion Betriebswirtschaftlich (technische Machbarkeit vorausgesetzt) Additiv gefertigte Bauteile sind kostenintensiv (hohe Stückkosten) Gegenüber formgebundenen Fertigungsverfahren nur wettbewerbsfähig, wenn der Nutzen über die komplette Fertigung gerechnet wird (keine Werkzeugkosten, geringere Montagekosten, etc) je kleiner die Stückzahl, desto größer der Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren Nutzenanalyse Bauteil und anwendungsbezogen die pauschale Bewertung des 3D Drucks als Fertigungslösung ist nicht sinnvoll.

12 Einschätzung Einschätzung additive Verfahren werden die konventionellen Fertigungsverfahren ergänzen in manchen Branchen / Anwendungen auch konventionelle Verfahren ersetzen additive Verfahren bieten neue Möglichkeiten für Produkte ohne konventionelle Fertigungsalternative Notwendigkeiten dafür KnowHow Aufbau 3D Druck für Designer und Konstrukteure Ausweitung der Werkstoffpalette analog zu konventioneller Werkstoffvielfalt Weiterentwicklung der additiven Verfahren mit Fokus auf die Fertigung Reproduzierbarkeit / Zuverlässigkeit Qualitätssicherung / Prozesskontrolle Zulassung / Zertifizierung Kostenstruktur Fokus Werkstoffkosten Fertigungsgeschwindigkeit Standardisierung der additiven Verfahren

13 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit 4D Concepts GmbH Frankfurter Straße 74 D Groß-Gerau Fon: Fax: