Generative Fertigung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen. Harald Gschiel

Transkript

1 Generative Fertigung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen Harald Gschiel

2 Inhalt Firmenvorstellung Überblick additive Fertigungsverfahren Werkstoffe / Pulver Technologien Demonstratoren & Bauteile Standorte in Österreich Resümee & Ausblick 2

3 FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Keyfacts Gründung: 1998 // Mitarbeiter: 40 // Umsatz: 2,4 Mio. EUR Zahlreiche nationale und internationale Forschungs- und Entwicklungsprojekte ISO 9001:2008 zertifiziert 3

4 FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Keyfacts FHWN Ausbildung 100% FOTEC Anteile Studenten & wiss. Mitarbeiter Forschungsunternehmen der FHWN 4

5 FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Engineering Technologies (TEC) Innovative Software Systems (BISS) Aerospace Engineering (AE) Pulverspritzgießen Generative Fertigung Softwareentwicklung (Windows, Android, ios, Web) Ionenemitter Wasserstoffspeicher Energiekonverter Antriebssysteme 5

6 FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Engineering Technologies (TEC) CAD Design und FE Simulation Bauteilentwicklung Topologieoptimierung Material (Metallpulver) Morphologie, Partikelgrößenverteilung (Fließverhalten) Chemische Zusammensetzung (bei AAC) Additive Fertigung Herstellung von Komponenten Prozessüberwachung (Schmelz- und Pulverbettüberwachung, in Entwicklung) 6

7 FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Engineering Technologies (TEC) Nachbearbeitung Mechanische Nacharbeit von Funktionsflächen Reinigungsprozedur mittels Ultraschallbädern Wärmebehandlung (Spannungsarmglühen) Tests (in Kooperation mit AAC GmbH) Zugversuch Mikrostrukturanalyse Riss- und Porositätsuntersuchungen Abmessungen und Verzug Dynamische Tests (Fatigue) Helium Lecktests (Dichtheit) Kompletter End to End Herstellungsprozess an einem Standort! 7

8 LMI - Laboratory for manufactoring innovation EOS M280 Bauvolumen: 250x250x325mm Material: Ti6Al4V, MS1 (1.2709), Nickelbasislegierung HX (UNS N06002) Laser: 200W Yb Faserlaser EOS M400 Bauvolumen: 400x400x360mm Material: AlSi10Mg (Standard), Nickelbasislegierung IN718 (Option) Laser: 1000W Yb Faserlaser Zusätzliche Laborausstattung Laserdiffraktometer Koordinatenmessmaschine Rasterelektronenmikroskop Wärmebehandlungsofen EOS P396 Bauvolumen: 340x340x600mm Material: Polyamid 12, weiß Laser: 70W CO2 Laser 8

9 FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Engineering Technologies (TEC) Fördergeber: Projektpartner: u.v.m. 9

10 Einleitung Was versteht man unter 3D-Druck bzw. additiver Fertigung? Schichtweiser Aufbau Hohe Bauteilkomplexität möglich Keine Werkzeuge notwendig Mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht herstellbar Neue Denkweise in der Konstruktion notwendig Kürzerer Produktentwicklungszyklus 10

11 ASTM F a: Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies: A process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer. Gebräuchliche Begriffe: Rapid Prototyping 3D Drucken Solid Freeform Fabrication Additive Layer Manufacturing Generative/Additive Fertigung Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wie Drehen, Fräsen, etc. Electro Optical Systems GmbH (D) Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Concept Laser GmbH (D) Lasercusing Selective Laser Melting (SLM) Laser Beam Melting (LBM) Neueste VDI Richtlinie 11

12 Datengenerierung Option 1: Option 2: Modellierung über CAD Software 3D Scan (Reverse Engineering) Beispiele: DS SolidWorks, DS Catia, AD Inventor, etc MS Kinect, 3DS Sense, MB Digitizer,... 12

13 3D Druck Technologie FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH Additive Fertigungsverfahren Pulver Flüssigkeit Feststoff Metall Polymer Gips Polymer/ Keramik Polymer Laser Beam Melting Laser Beam Melting 3D Printing Stereolithography Fused Deposition Modeling Laser Powder Deposition Polyjet Printing Electron Beam Melting 13

14 Laser Beam Melting Dünne Metallpulverschicht wird von einem Laser selektiv aufgeschmolzen Stützstrukturen für Stabilität und Wärmeableitung sind notwendig Schichtdicken liegen zwischen 20µm und 90µm (abhängig von Material und Anlage) 800x400x500mm max. Bauvolumen Single, Dual und Quad Laser möglich 4 10µm (Ra) 350µm mind. Wandstärke 14

15 Laser Powder Deposition Metallpulver wird koaxial zugeführt und von einem Laser aufgeschmolzen Stützstrukturen notwendig Schichtdicken liegen zwischen 100µm und 1.000µm Bauvolumen hängt vom Verfahrweg der Achsen ab (typischerweise bis zu 1,5m) 12 25µm (Ra) 1000µm mind. Wandstärke 15

16 Laser Powder Deposition Dünne Metallpulverschicht wird von einem Elektronenstrahl selektiv aufgeschmolzen 50µm Schichtdicke 350x350x380mm max. Bauvolumen 20 25µm (Ra) 100µm mind. Wandstärke 16

17 3D - Printing Inkjet Druckköpfe applizieren einen flüssigen Kleber auf eine dünne Pulverschicht Keine Stützstrukturen notwendig, d.h. Verschachteln und Stapeln ist möglich 90µm Schichtdicke 4,0x2,0x1,0m max. Bauvolumen 20 25µm (Ra) 1000µm mind. Wandstärke Gedruckte Bauteile müssen zusätzlich mit Klebstoff infiltriert werden 17

18 Komponente aus dem Treibstoffleitungssystem Originalbauteil Monolithisches Design Reduzierte Montagekosten Keine Schweißnahtprüfung Strömungsoptimierung Material: Ti6Al4V Gewicht: 10g 59% weniger Volumen 77% weniger Gewicht Quelle: FOTEC / AustroEngine/Kurri 18

19 Strukturbauteil für Vibrationstests (Cubesat) Originalbauteil Topologieoptimiert Material: Ti6Al4V Gewicht: 144g 35% Gewichtsreduktion 19

20 Bremssattel Quelle: Originales Design: Gussteil, gefräste Funktionsflächen Material: AlSi12 Gewicht: kg Optimiertes Design 3D- Druck Material: Ti6Al4V Gewicht: 0.284kg Quelle: TUW Racing FOTEC 20

21 Demonstratoren Achshalter Peregrino UAV Vordere Achsaufnahme ist die zentrale Komponente des elektrischen Antriebsstranges übernimmt mechanische Lasten mittels Kühlrippen wird Luft in die beiden Elektromotoren geleitet Anforderungen: Festigkeit, Wärmeübertragung und geringes Gewicht 21

22 Prozessüberwachung Notwendig und teilweise am Markt verfügbar Einstufung gefundener Fehler gestaltet sich schwierig Einbettung in Anlagensteuerung in Vorbereitung Kontrolle des Schmelzbades Kamera Kontrolle des Pulverbetts 22

23 Standorte in Österreich FH Oberösterreich Campus Wels (Huskic / Metall) TU Wien (Stampfl / Stereolithographie) TU Graz (Pichler / Metall) Lithoz (Homa / Keramik) Montanuniversität Leoben (Buchmayr / Metall) Management Center Innsbruck (Kraxner / Polyjet Printing) General Electric (GE) Jenbacher (Metall) RHP (Neubauer / Laser Powder Deposition)... 23

24 Ausblick Größere Bauvolumina Höhere Baurate (mehr Laserleistung) Herstellen von Ersatzteilen und Werkzeug vor Ort Menschliches Gewebe und Organe Energieautarke transportable Fertigungszentren 24

25 Danke für Ihre Aufmerksamkeit