Additive Fertigung von metallischen Bauteilen

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1 Additive Fertigung von metallischen Bauteilen Andreas Kirchheim Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung Seminar 2018 der Swissmem Fachgruppe «Schweiss und Schneidtechnik» 23. Januar 2018 EMPA Dübendorf EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 1 Wir sind die Experten von der Vision zum Produkt Additive Manufacturing High Performance Cutting EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 2

2 Unser Angebot in der Additive Fertigung Angepasste Produktentwicklung für die additive Fertigung Wirtschaftliche und technische Machbarkeitsstudien Maschinenentwicklung für die additive Fertigung af&e Projekte zur Produkt und Prozessentwicklung in der additiven Fertigung Unterstützung in Form von Workshops und Schulung bei der Einführung der additiven Fertigung Allgemeine und kundenspezifische Aus und Weiterbildung zum Thema Additive Fertigung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 3 3 Additive Fertigung von metallischen Bauteile Einleitung Additive Fertigung / 3D Druck Ausgewählte additive Verfahren für Metall Anwendungen Zusammenfassung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 4

3 Anwendungsfelder der Additiven Fertigung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 5 Definition «additive Fertigung» allgemein Additive Fertigung oder 3D Drucken ist die schichtweise Herstellung eines dreidimensionalen Gebildes aus einem digitalen Modell Aufbringen einer Materialschicht Aushärten oder Verfestigen des Materials Aufbringen der nächsten Schicht CV additiv subtraktiv Quelle: ZPP/ZHAW EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 6

4 Global AM market Quelle: Roland Berger EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 7 Additive Fertigung/ 3D Druck Zeitliche Einordnung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 8

5 Technologie: Additive Manufacturing Applikation: Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing Technolgy Additive Manufacturing Application Manufacturing Prototyping Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Konzept Modell Geometrieprototyp Funktionsprototyp Prototype Tooling Direct Tooling Rapid Tooling Direct Manufacturing Quelle: Gebhardt, FH Aachen EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 9 Verfahrensüberblick EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 10

6 Gliederung additiver Fertigungsverfahren Materialien und Verarbeitungsverfahren Draht Kunststoffe, Metalle, Keramik, Lebensmittel, Pulver Kunststoffe, Metalle, Keramik, Folie Kunststoffe, Metalle, Keramik, Flüssigkeit Polymere, Paste Polymer Beton, Photoplymere, Aufschmelzen, Erstarren Aufschmelzen Erstarren Verkleben durch Binder Ausschneiden. Fügen Polymerisieren Auftragen Erstarren Extrusions Verfahren z.b. FDM, Cladding* Sintern, Schmelzen SLS, SLM, EBM Cladding* Verkleben durch Binder 3D Druck Schicht Laminat Verfahren LOM, FTI Polymerisation, Stereolithographie SL, MJM, Poly Jet Extrusions Verfahren * Auftragsschweissen Nach: Gebhardt EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 11 Warum Additive Manufacturing? Mehrwert generieren! Leichtbau durch komplexe Strukturen Gitterstrukturen Bionische Strukturen Kundenindividuelle Produkte (Customized) Dental Produkte (Kronen, Brücken ) Implantate Schmuck Werkzeuge Vorrichtungen. Prototypen und Kleinserienfertigung Direkt aus dem CAD Ohne zusätzliche Werkzeuge Funktionsintegration Bauteilintegration, (Reduktion Bauteilanzahl) Werkzeugkühlung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 12

7 Vorteile der additive Fertigung nutzen! durch angepasste Konstruktionen Designregeln «additive Fertigung» VDI 3405 Blatt3 Additive Fertigungsverfahren Konstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mit Laser Sintern und Laser Strahlschmelzen (Kunststtoff und Metall) acatech Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften (Hrsg.) (2016): Additive Fertigung. EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 13 Prozesskette additive Fertigung CAD Modell AM Prozess Schichtmodell Supportstrukturen Prozessparameter Nachbehandlung Qualitätssicherung Quelle: ZPP/ZHAW EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 14

8 Digitale Prozesskette 3D Workflow Data Generation Data Preparation Manufacturing CAE & CAD Development & CAD Design CAM Build Tray Preparation, Slicing, Hatching SLM Machine Selective Laser Melting Process Quelle: Trumpf NX Magic Autofab Catia QuantAM Quelle: ZPP/ZHAW EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 15 Digitale Prozesskette 3D Workflow Data Generation Data Preparation Manufacturing CAE & CAD Development & CAD Design CAM Build Tray Preparation, Slicing, Hatching SLM Machine Selective Laser Melting Process NX Magic Catia QuantAM 3D EXPERIENCES 2018 Quelle: ZPP/ZHAW EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 16

9 Additive Fertigung von metallischen Bauteile Einleitung Additive Fertigung / 3D Druck Ausgewählte additive Verfahren für Metall Anwendungen Zusammenfassung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 18 3D Drucken / 3D Printing Alternative Verfahrensbezeichnungen Binder Jetting (BJ), 3D printing (3DP), Color printing Quelle: VDI 3405 (1) Beschichter (2) Pulvervorratsbehäl ter (3) Punkt für Punkt Binderauftrag (4) Druckköpfe (5) generiertes Bauteil (6) Stützkonstruktion (Pulver) (7) Überlaufbehälter (8) Bauplattform mit Hubtisch Verfahrensprinzip Schichtweises auftragen pulverförmiges Materials und lokales Verkleben durch Punkt für Punkt Auftragen von flüssigem Bindemittel Charakteristika Keine Stützstruktur Grosse Gussformen Wiederverwendbare Reste Raue Oberflächen aufgrund der Korngröße des Pulvers Werkstoff / Material pulverförmig: Pulvergemische (anorganische Pulver (Gips), Polymere, Metall, Keramiken, Sand, etc.) flüssig: Bindern Post Prozess Reinigen mittels Druckluft, Imprägnierung mit flüssigem Heißwachs oder Infiltrierung mit Epoxidharz oder Kleber; Sintern (Keramik) EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 19

10 3D Drucken (3DP) Anwendungen Gusskerne Voxjeljet Video EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 20 Laser-Strahlschmelzen (LBM) Powder Bed Fusion by Laser (PBFL) Alternative Verfahrensbezeichnungen Laser Beam Melting (LBM) Selektives Laser Schmelzen, Selective Laser Melting (SLM), Laserbasiertes Pulverbettschlmelzen, Powder Bed Fusion by Laser (PBFL) Verfahrensprinzip Schichtweises lokales Verschmelzen von Pulverpartikeln mittels Laserstrahlung 200W (bis 1000 W), bis zu 4 Lasern Ausrichtung Laser mittels Scanner/Spiegel Charakteristika Hohe Dichte (>99.8%), hohe Festigkeit Supportstruktur Metallpulver Werkzeug und Edelstähle Ti, Al, Ni, Co Basislegierung en. Post Prozess Quelle: VDI 3405 Kontrolliertes Abkühlen, Reinigen vom Pulver Entfernen Stützen, Bauplatte Wärmebehandlung unter Vakuum bzw. Schutzgas oder Hot Isostatic Pressing (HIP) Verbesserung der Bauteiloberflächen durch: Strahlen, Trowalisieren Zerspanen (Fräsen, Schleifen, Polieren ) (1) X_Y Scanner (Spiegel) (2) Verfestigungszone (3) generiertes Bauteil (4) Supportkonstruktion (5) Bauplatte (6) Bauplattform mit Hubtisch (7) Beschichter mit Pulvervorrat Anwendungen Rapid Prototyping Direct manufacturing Direct Tooling EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 21

11 Prinzip Laser Strahlschmelzen (LBM) EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 23 Produktivitätssteigerung durch Multilaser Das hier gezeigten Aluminium-Gehäuses dokumentiert die zukünftige Produktivitätssteigerung des Pulverbett basierten Laserschmelzens. Vergleich der Aufbaurate nach 19 Stunden Fertigungszeit: 1 Laser = 584 Schichten 2 Laser = 1019 Schichten 4 Laser = 2222 Schichten EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 24

12 Elektronen Strahlschmelzen (EBM ) Powder Bed Fusion by Electro Beam (PBFE) Alternative Verfahrensbezeichnungen Electron beam melting (EBM ) Elektronenstrahlbasiertes Pulverbettschlmelzen, Verfahrensprinzip Schichtweises lokales Verschmelzen von Pulverpartikeln mittels Elektronenstrahl bis 10kW Ausrichtung des Elektronenstrahl sehr schnell durch Ablenkspule Charakteristika Hohe Dichte (>99.8%), hohe Festigkeit Supportstruktur Metallpulver Werkzeug und Edelstähle Ti, Al, Ni, Co Basislegierungen. Post Prozess Kontrolliertes Abkühlen, Reinigen vom Pulver Entfernen Stützen, Bauplatte Wärmebehandlung unter Vakuum bzw. Schutzgas oder Hot Isostatic Pressing (HIP) Verbesserung der Bauteiloberflächen durch z.b.: Strahlen, Trowalisieren Zerspanen (Fräsen, Schleifen, Polieren (1) Beschichter (2) Pulvervorratsbehälter (3) Elektronenstrahlerzeuger (4) Fokussierspule (5) Ablenkspule (6) Verfestigungszone (7) generiertes Bauteil (8) Stützkonstruktion (9) Bauplatte (10) Bauplattform mit Hubtisch Quelle: VDI 3405 Anwendungen Rapid Prototyping Direct manufacturing EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 25 Anwendungen Elektronen Strahlschmelzen (EBM ) Hüftgelenkspfanne mit integrierten Trabecular Structures für eine verbesserte Osseointegration, source: Arcam Aerospace component, source: Arcam Housing combining lattice structures and solid sections, EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP source: Arcam 27

13 Pulver /Draht Auftragsschweissen Direct Energy Depositioning (DED) by powder/wire Alternative Verfahrensbezeichnungen Direct Metal Laser Melting (DMLM) Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Verfahrensprinzip Additiver Fertigungsprozess, in dem eine fokussierte Wärmeenergie verwendet wird, um Werkstoffe, so wie sie zugeführt werden, durch Schmelzen zu vereinigen Energieeinbringung durch Laser, Elektronenstrahl oder Plasmabogen Bindung durch thermische Reaktion: Schmelzen, Verfestigen Post Prozess Wärmebehandlung unter Vakuum bzw. Schutzgas Verbesserung der Bauteiloberflächen durch z.b.: Strahlen, Trowalisieren Zerspanen (Fräsen, Schleifen, Polieren ) Laserumschmelzen Anwendungen Direct manufacturing (1) Pulvertrichter (2) gerichteter Energiestrahl, zum Beispiel: Laser, Elektronenstrahl oder Plasmabogen (3) Bauteil (4) Bauplatte /Substrat (5) Drahtspule (Filament) (6) Bautisch Quelle: DIN EN ISO : ANMERKUNG 1 Eine Mehrachsfähigkeit (üblicherweise 3 bis 6 Achsen) wird durch Bewegung der Düse und des Bautisches erzielt. ANMERKUNG 2 Alternative Werkstoffbeschickungssysteme sind zum Beispiel: Pulver, welches durch den Energiestrahl zugeführt wird, Pulver, welches am Energiebrennpunkt zugeführt wird, oder Filament (Draht), das am Energiebrennpunkt zugeführt wird. EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 28 Quelle: DIN EN ISO : Alternativen zum Laser Strahlschmelzen (LBM) Drahtbasiertes Laser Auftragsschweissen Direct Energy Depositioning (DED) by wire Pulverbasiertes Laser Auftragsschweissen Direct Energy Depositioning (DED) by powder EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 29

14 Prinzip Pulver-Auftragsschweissen Das Metallpulver wird schichtweise auf ein Basismaterial aufgetragen und mit diesem verschmolzen. Dabei geht das Metallpulver eine hochfeste Schweißverbindung mit der Oberfläche ein. Nach dem Erkalten entsteht eine Metallschicht, die mechanisch bearbeitet werden kann. Laser Auftragsschweissen Fräsbearbeitung in einer Aufspannung Quelle: DMG MoriSeiki EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 31 Pulver-Auftragsschweissen Quelle: DMG MoriSeiki EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 32

15 Vom CAD zum fertigen Teil Selective Laser Melting (SLM) CAD Modell «Complexity for free» «Konstruktionsrichtlinien» Modell vorbereitet für SLM Fertigung mit Stützstruktur fertiger Impeller EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 34 Supportstrukturen und Bauteilanordnung Selective Laser Melting (SLM) Anwendung von Supportstrukturen und Bauteilanordnung im Bauraum Quelle: VDI 3405 (Wiedergegeben mit Erlaubnis des Verein Deutscher Ingenieure e. V.) Vermeidung Supportstrukturen in der Konstruktion Anordnung der Teile im Bauraum zur Verringerung der Reibkräfte des Beschichtungssystem (Rakel, Klinge o.ä.) Vermeidung Supportstrukturen durch Anordnung im Bauraum, Verringerung der Nacharbeit durch Anordnung im Bauraum EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 35

16 Verfahrensparameter Selective Laser Melting (SLM) Laserschmelzprozess Belichtungsgeschwindigkeit v S (Belichtungszeit) Linienabstand h S Schichtdicke s ( m) Brennfleckgeometrie (Fokus) Laserleistung P L Werkstoffparameter Grundwerkstoff Partikelform und grösse Pulverzusammensetzung, Additive. EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 36 Nach Klocke, WZL/IPT Fraunhofer Nachbehandlung im additiven Fertigungsprozess Prozesskette additive Fertigung CAD Modell AM AM Prozess Prozess Metall Schichtmodell Supportstrukturen Prozessparameter Nachbehandlung Qualitätssicherung Nachbehandlung Selektives Laser schmelzen Pulver ausräumen Abtrennen Wärmebehandlung Nachbearbeitung Prozesskette Nachbehandlung beim selektiven Laserschmelzen EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 43

17 Nachbehandlung beim selektiven Laserschmelzen 1. Pulverentfernung 2. Wärmebehandlung Spannungen T Materialeigenschaften t 3. Abtrennen/ Supports entfernen Masshaltigkeit Oberfläche Reinigung 4. Nachbearbeitung Mikrostrahlen Spanende Nachbearbeitung Schleifen Elektropolieren/Ätzen Erodieren EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 44 Qualitätssicherung Prozessüberwachung Die InfiniAM Spectral Software arbeitet mit Renishaw s LaserVIEW und MeltVIEW (Hardware). Sie stellt Messergebnisse vom Energieinput und der Wärmeabstrahlung des Schmelzprozesses zur Verfügung. to provide feedback on energy input and emissions from the AM build process. Die InfiniAM Spectral Software ist eine Option, deren Rückmeldung die Qualität des AM Prozesses dokumentiert. Die Analyse der 2D Schmelzbaddaten kann beginnen, sobald die erste Schicht komplettiert ist. Die 2D Daten werden in 3D Volumen kompiliert und können fast in Echtzeit offline mit der InfiniAM Spectral Software analysiert werden. 2D Ansicht fast in Echtzeit Schrittweise 3D Ansicht, nach Bauforschritt Komplette 2D und 3D Analyse nach erfolgtem Job Vergleich der realen Energieeinbringung mit der Prozess eingebrachten Energie. EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 45

18 Kosten einer Additiven Fertigung SLM-Kosten in der Serie SLM Kosten ca /cm 3 Direkte Kosten (Material) 26% 74% indirekte Kosten 2% Energie 21% 43% 7% Arbeit Maschine Overhead Kostenschätzung bei max. Ausnutzung der Maschine Kosten differieren, abhängig: Material Geometrie Ausnutzung Bauraum Etc. Reine Produktionskosten ohne Kosten für Design, und Nachbehandlung (glühen, Polieren etc.) Beispiel: Kosten Maschine: 500 k Abschreibungszeit: 8 Jahre Zuverlässigkeit: 83% Aufbaurate: 10 cm 3 /h Material: Preis Pulver: 89 /kg EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP Quelle: in Anlehnung Roland Berger 47 Additive Fertigung von metallischen Bauteile Einleitung Additive Fertigung / 3D Druck Ausgewählte additive Verfahren für Metall Anwendungen Zusammenfassung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 48

19 Anwendungsbeispiele , , Ti6Al4V, AlSi10Mg, etc. EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 49 Anwendungsbeispiele , , Ti6Al4V, AlSi10Mg, etc. EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 50

20 Hydraulikblock : Gewichtsoptimierung durch additive Fertigung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 51 Reduktion Zykluszeit Hybridwerkzeug mit konturnaher Kühlung (1.2709) Zykluszeit: 55 Sek. Altes Werkzeug: Zykluszeit: 55 Sek. Neues Werkzeug: Zykluszeit: 22 Sek Zykluszeit: 22 Sek konventionelles Werkzeug konventionell nachbearbeitet Neues Hybridwerkzeug mit konturnaher Kühlung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP additiv gefertigt (SLM) 52

21 Reduktion Zykluszeit SLM Einsatz mit konturnaher Kühlung (1.2709) Information: Konturnah gekühlter Rippenkern mit einem komplexen Verlauf der Kanäle. EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 54 Reduktion Zykluszeit SLM Einsatz mit konturnaher Kühlung (1.2709) Quelle: GTT Steinko EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 55

22 Anwendungen: Luftfahrttechnik GE-Aviation Einspritzdüse aus SLM für die LEAP Turbine 20 parts > 1 part 25% leichter 5x Lifetime Bauteile / Jahr 200 mm Quelle: General Electric GE EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 56 Harnstoffeindüsung für die Abgasreinigung Einspritzdüse eventuell Mischelement Abgasstrom SCR Katalysator Mischstrecke Konventionell, 2 teilig, gefräst Additiv gefertigt, 1 teilig, EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 57

23 Serienanwendung: Zerspanungswerkzeug Fakten: In einem Job, können gelichzeitig verschiedene Varianten hergestellt werden Dies spart Zeit in der Entwicklung und der Serie Video Milling process EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 60 Serienanwendung: Zerspanungswerkzeug Optimierte Spanleitstufen EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 61

24 Additive Fertigung von metallischen Bauteile Einleitung Additive Fertigung / 3D Druck Ausgewählte additive Verfahren für Metall Anwendungen Zusammenfassung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 62 Überblick heutiger und neuer AM-Technologien EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 63

25 Additive Fertigung Wie? Verstehen der AM Technologien Indentifikation sinnvoller Komponenten und Bauteilen für die additive Fertigung Definition der Konstruktionsregeln Anwendung der richtigen Nachbearbeitungsmethoden und von Methoden zur Qualitätssicherung Identifikation zuverlässige und erfahrende Forschungsund Fertigungspartner EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 64 F&E- Themen in der Additiven Fertigung EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 65

26 Andreas Kirchheim EMPA FG Schweissen pptx, A. Kirchheim, ZPP 66