Generative Verfahren & Digitale Drucktechnologie. Generative Fertigung mit thermoplastischen Kunststoffen

Transkript

1 Generative Verfahren & Digitale Drucktechnologie Generative Fertigung mit thermoplastischen Kunststoffen 3D-Postkarte aus Fuerteventura

2 Überblick Einleitung Generative Fertigung = Additive Manufacturing (AM) Individualisierung von Produkten Individualisierungsstrategien im Automobilbereich Generative Fertigung mit Kunststoffen 01: Selektives Lasersintern (SLS) 02: Fused Layer Modeling (FLM) Anforderungen an die Generative Fertigung für großvolumige Kunststoff Bauteile 3D Fibre Printer (Roboterbasiert)

3 Einleitung

4 Waffen, Autos und Häuser Liberator.380 von Cody Wilson Local Motors Strati Karosserie KamerMaker Kooperation zwischen Ultimaker und DUS

5 Anlagen weltweit 3% 9% 2% 2013 Stratasys (FDM) 3D Systems 11% EOS Evisiontec 2% 55% Mcor Others Beijing Tiertime 18%

6 Material weltweit 25% 1% 43% 2013 Harz Filament Pulver Andere 31%

7 Business Fakten Heimgeräte zwischen $500 - $4000 Großvolumige Anlagen um $ Stratasys Systeme von $9000 bis $ Durchschnittlicher Verkaufspreis für industrielle AM Systeme $ (2013) Einbruch der Verkaufszahlen für industrielle AM Systeme zwischen $ $ Grund: Popularität der AM Systeme unter $5.000 FDM Thermoplast zwischen $250 $500 per kg (Stratasys) FLM Thermoplast zwischen $15 $50 per kg (Heimgeräte)

8 Bauteile Generative Fertigung Direkte Produktion stark gestiegen Bessere und schnellere Verfahren Größere Materialauswahl 40 Direkte Produktion Anteil der direkten Produktion in %

9 Anwendungsgebiete Generative Fertigung Generative Fertigung macht nur dann Sinn, wenn mindestens einer der Vorteile optimal ausgenutzt wird. Funktionsintegration Individualisierung Komplexe Geometrie

10 Generative Fertigung

11 01: Funktionsprinzip SLS

12 EOS Formiga P100

13 Funktionsintegration und Leichtbau Robotik Einfache Variantenbildung Einsparung von Montage und Gewichtsreduktion Herstellung komplexer Geometrie Kombination von starren und elastischen Bereichen

14 Individualisierung durch Digitalisierung Leichtbaustruktur der Erdnussschale als Licht und Schatten Effekt Individuell ausgewählte Erdnuss 3-D Digitalisierung Herstellung durch SLS ab Losgröße eins Graffiti by Jeroo

15 Leichtbau durch komplexe Geometrie Komplexe digital definierte Holstruktur Gewichts- und Materialeinsparung Nur mittels generativer Fertigung Herstellbar Herstellung durch SLS ab Losgröße eins

16 02: Funktionsprinzip FLM (3-Achsig) Schichtweiser Auftrag von Thermoplasten Verarbeitungstemperatur von C Düsendurchmesser 0,3-1,0 mm (X,Y Auflösung) bei 3 mm Filament Düsendurchmesser mit Faser 1,00 mm Schichtdicke 0,1 0,4 mm (Z Auflösung)

17 Stand der Technik Fused Layer Modeling Fused Layer Modeling (FLM) = Fused Deposition Modeling (FDM) Generatives 3- Achsiges Schmelzkopf Verfahren Stützstruktur ab 45 Überhang notwendig Ca. 10 unterschiedliche Thermoplasten verfügbar Maximale Kommerzielle Bauteilgröße 914mm X 640mm X 914mm Schichtdicken von 0,175mm bis 0,5mm Maximal 3 Schmelzköpfe pro System Stratasys Fortus 900mc FDM mit Polycarbonat Quelle: Flickr

18 FLM Füllstrategien FLM Bahnplanung im G-Code Strukturerzeugung mittels Bahnplanung Kein Stützmaterial notwendig

19 Ausrichtung der Bauteile und Materialeinsatz 150mm x 20mm x 4mm Prüfkörper / 0,254 mm Z- Auflösung 10 Schichten Stützunterbau Modell Support Z-Ausrichtung 8,72 cm 3 (8,52 0,20) X-Ausrichtung 11,44 cm 3 (8,87 2,57) Y-Ausrichtung 11,64 cm 3 (9,12 2,52) Herstellzeit Z-Ausrichtung 49 Minuten Herstellzeit X-Ausrichtung 49 Minuten Herstellzeit Y-Ausrichtung 25 Minuten schnell, günstig und beste Qualität

20 Materialvielfalt FLM Jeglicher Thermoplast lässt sich grundsätzlich verarbeiten (auch Bio-Kunststoffe) Verarbeitung von gefüllten Thermoplasten Verschieden durchgefärbte Thermoplaste Kombination von verschiedenen Thermoplasten in einem Bauteil Gezielte Endlosfaser Integration (Kohle-, Glas- und Aramidfasern) Desmopan / TPU: DP 385, DP 9873DU, DP 3660DU, DP 3695AU, DP 3360A, DP 3070A, DP 9873DU, DP6065A Makrolon / PC: Makrolon 2808, Makrolon 9415, Bayblend T65 PG

21 Multimaterial mit FLM Material 1: Bayblend T 65 PG Material 2: Verschiedene TPU Typen Verdichtungstest Load - 35% Unload Load - 35% Unload Load - Bruch

22 Wasserlösliches Stützmaterial Polyvinylalkohol

23 Funktionsweise Pack FLM (PFLM 3-Achsig)

24 Funktionsintegration mit PFLM und EL-Folie Integration von Beleuchtungshalbzeugen inklusive Inverter Formgebung der EL-Folie durch schichtweisen Aufbau der Kapselung Neue Produkte und Anwendungen Sortenrein trennbar

25 Integration von Lichtleitern Integration von flexiblen Schlauchhalbzeugen Verguss von transparenten sowie opaken Polyurethan Erzeugung komplexer Innenstrukturen Nutzung gängiger Thermoplaste für das Gehäuse lux (LED) 311 lux (Aufsatz) Harz basierte Systeme 1. Printed Optics von Disney Research (Objet Eden 260V mit VeroClear) 2. LUXeXeL Brillengläser

26 Weitere Anwendungen PFLM Kapselung verschiedener Materialien Kapselung ganzer Produkte Montagefreie Produktkapselung Individualisierung

27 Ersatzteile mit FLM 3D Druck Coupling für Segways ABS und TPU Bauteile Seit einem Jahr im Einsatz (3000 km Laufleistung)

28 Hybride Möbel Kombination von Baumarkt -Halbzeugen mit FDM Verbindungselementen Kostengünstige Kleinserien- und Einzelfertigung Workshop 2014 mit 13 Entwürfen

29 Anforderungen

30 Generative Fertigung für großvolumige Kunststoff Bauteile Top 3 der vom Markt geforderten Anforderungen Reduktion Herstellzeit Kooperierende Industrieroboter, Kombination von mehreren 3- Achs Einzelsystemen Erhöhung von Oberflächenqualität Verringerung des Düsendurchmessers, kombinatives Roboterfräsen (Schlichten), integriertes Laserpolieren Erhöhung der Materialauswahl und Kombinationsmöglichkeiten Aufbau Parameterdatenbank und Integration von Halbzeugen durch erhöhte Freiheitsgerade SLA Mammoth Anlage - tripple Systematik Quelle: Materialise

31 Stand der Technik Faserkunststoffverbund Faserkunststoffverbund (FKV) Verfahren für vorimprägnierte Halbzeuge Autoklavverfahren Faserspritzen Pressen Pultrusionsverfahren Spritzguss Wickelverfahren Verfahren für trockene Halbzeuge Handlaminieren Harzinjektionsverfahren Wickelverfahren Tape-Leger Automatisierbare Fertigungstechnik in der CFK-Produktion Quelle: DLR

32 Stand der Technik FLM FLM am Industrieroboter RoboGen Fraunhofer IFF Magedburg: Robotersystem zur generativen Fertigung großer Bauteile mittels 2 Komponenten Epoxidharzpasten und robotergestütztem Fräsen The Endeless Process Dirk van der Kooij: Thermoplast Extruder direkt am Industrieroboter Anti-gravity Object Modeling Advanced Architecture of Catalonia (IAAC): Schnellhärtendes 2 Komponenten Materialsystem mit Trocknungseinheit Quelle: Fraunhofer IFF; Flickr; thisiscolossal

33 Prozesskette 3D Fibre Printer (3-Achsig)

34 Versuchsstand (Portal 3-Achsig) Antrieb des Extruders durch Schrittmotor Beheizte Düse (bis 280 C) Beheiztes Druckbett (bis 170 C) Förderung der Faser durch die Schmelze des Thermoplasten

35 Faserkunststoffverbund via FLM Matrix DP 385 Kohleroving T300 / 1K / 66 tex Faseranteil im Bauteil ca. 10%

36 Funktionsweise FLM Faser Schmelzdüse Problematik Faservorschub Thermoplast Förderung versus Faser Förderung Kinematik wie ein Seil Lösung für die Ummantelung der Faser mit thermoplastischem Kunststoff Ummantelung nach Einführung in den Hauptkanal Gleichzeitige Förderung der Faser durch die erzeugte Schmelze Synchronisierte Vorschubgeschwindigkeit

37 Vorschubeinheit 3D Fibre Printer Zuverlässiger Vorschub auch bei nachgiebigem Thermoplastischem Polyurethan (TPU) Robuste Auslegung für den Dauereinsatz Zwei Fördereinheiten Herstellung über Selectives Lasersintern (SLS)

38 Anlagenkonzept Roboterbasiert Zuführung Thermoplast Doppel Faserrolle 3-FachSchmelzkopf CR4 Schaltschrank Kuka KR60 HA Trockner mit Thermoplastrolle Bauplattform (Vacuum + Heizer)

39 Diskussion