Kompetenzzentrum Additive Fertigungsverfahren

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1 Quelle: Kompetenzzentrum Additive Fertigungsverfahren Stéphanie Baumann 9. Kunden-Erfahrungsaustausch, 20. September 2012

2 Additive Fertigungsverfahren Oberbegriff: Rapid Prototyping (RP) Deutsche Bezeichnungen: Generative/Additive Fertigungsverfahren Prinzip: Fertigung von 3D-Bauteilen aus CAD-Modellen durch Schichtbauverfahren RP-Maschine 3D-CAD-Modellierung Tesselierung (Triangulation) Aufteilung in Schichten Bauteilgenerierung 2

3 RP-Verfahren Photopolymerisation Stereolitographie (SLA) Lokale Aushärtung von flüssigen photosensitiven Monomeren (z. B. Epoxid-, Acrylharzen) durch UV-Strahlung InkJet-Prozess 3D Printing (3DP) Lokales Verkleben gipsartigen Pulvern mittels flüssiges wasserbasierten Bindemittels Extrusion Fused Deposition Modeling (FDM) Sintern Auftragen von aufgeschmolzenen drahtförmigen Thermoplasten (ABS, PC, PPSF/PPSU, PLA, PE, PP) Selektives Lasersintern (SLS) Lokales Aufschmelzen von Pulvern aus Formsand, Metall und Kunststoff (PA 12, PA 11, PEEK, PP, TPU) 3

4 Fused Deposition Modeling (FDM) Auftragen vom aufgeschmolzenen thermoplastischen Draht 4 Quelle: Cimetrix Solutions

5 Fused Deposition Modeling (FDM) FDM-Anlage Ultimaker 5

6 Fused Deposition Modeling (FDM) FDM-Anlage HP Designjet 3D-Drucker 6

7 Fused Deposition Modeling (FDM) Anlage zur Drahtextrusion Wasserbad Tischextruder Teach-Line FT-E 20 T-MP-IS Bandabzug mit Tellerwickler BAW 130 T + WR 650 T 7

8 Selektives Lasersintern (SLS) Lokales Aufschmelzen von Pulvern 8 Quelle: W&K Muster und Prototypen

9 Selektives Lasersintern (SLS) SLS-Anlage 9 EOS Formiga P 100

10 Selektives Lasersintern (SLS) SLS-Anlage Bauraum: 200 mm x 250 mm x 330 mm Quelle: Virginia Tech 10

11 Selektives Lasersintern (SLS) SLS-Anlage Quelle: Festo Neupulver Altpulver Vibrationssieb Altpulver < 100 µm Mischung Neu-/Alt-Pulver Auspackstation und Recyclingsystem 11 Druckluft- und Glasperlen-Strahlkabine

12 Selektives Lasersintern (SLS) Pulvergewinnung Fällungsprozess Hochdrucksprühprozess Kaltmahltechnik Vergleich mit handelsüblichem Polyamid 12-Pulver für SLS (Laserbeugung) D10 (µm) D50 (µm) D90 (µm) PA2200 th PA2200 mes 39,6 58,7 85,9 POM mes 16,8 61,

13 RP-Anwendungsbereiche Prototypen - Show-and-Tell -Modelle - Funktionelle Prototypen Endprodukte PKW-Lüftungsgitter; Quelle: 3D Systems Automobil- und Luftfahrtindustrie Medizintechnik Spielzeuge Design Kunst... Hörgeräteschalen, Quelle: 3D Systems Schädelmodel für Implantat, Quelle: Biomet Figurine, Quelle: Objet 13

14 RP-Beispiele Quelle: RAPIDToday Quelle: 3D Culture Quelle: Gizmodo 14 Quelle: Derek Manson

15 Beispiele FDM / SLS FDM, Teil mit Stützmaterial, Quelle: 1zu1 Prototypen SLS, Paris Sandals, Quelle: Freedom Of Creation SLS, Ansaugkrümmer eines 4-Zylinder-Motors, Quelle: Centrum für Prototypenbau FDM, Building-Modell, Quelle: College of the Redwoods SLS, Muster, Quelle: 1zu1 Prototypen SLS, iphone-schalen, Quelle: FKM FDM, Umlaufrädergetriebe, Quelle: Olin Robotics and Bioinspiration lab 15

16 Stand der Technik Generative Fertigungsverfahren sind im Jahr 1987 in den USA geboren und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland bekannt. Durch die Ersparung an der Entwicklung eines passenden Werkzeugs erlaubt die additive Fertigung eine schnelle und kostengünstige Produktherstellung. Darüber hinaus bieten generative Fertigungsverfahren größere geometrischen Freiheiten. Aus diesen Gründen hat sich die Additive Fertigung zu einem immer attraktiveren Fertigungsverfahren entwickelt. Wurden diese Prozesse zunächst nur zur Herstellung von Prototypen verwendet, finden sich nun immer mehr Anwendungen im Bereich der Kleinserienproduktion und Fertigung von komplizierten Sonderbauteilen. 16

17 Nachteile Die Entwicklungen befinden sich aber noch in den Anfängen und werden von einer Reihe von signifikanten Nachteilen begleitet: - Unzureichende Oberflächenqualitäten (Nachbearbeitung notwendig) - Relativ geringe Materialvielfalt - Hohe Rohmaterialkosten (Vertrieb der Rohmaterialien durch die Anlagenhersteller mit hohen Margen und hohe Materialverluste durch den thermischen Abbau des Pulverbettes im SLS-Prozess) - Mangel an verlässlichen Aussagen z. B. zur Serienstreuung und zur Produktlebensdauer generativ gefertigter Bauteile 17

18 Aufbau eines Kompetenzzentrums im SKZ Anwendungsnahe Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten Absicherung qualitativer Eigenschaften Entwicklung neuer Materialien mit optimierten Eigenschaften Kostenreduzierung durch Prozess- und Materialoptimierung Anwendungsnahe Prozessberatung Lehrgänge zu generativen Fertigungsverfahren 18

19 Zielsetzungen Aufbau des Kompetenzzentrums Auswahl, Installation, Inbetriebnahme der SLS- und FDM-Anlagen Schulung der Mitarbeiter Entwicklung von Strategien zur Optimierung der Prozess- und Materialparameter für FDM und SLS Statische Versuchsmethodik Zusammenhang zwischen Eingangs- (Maschinen- und Materialparameter) und Ausgangsgrößen (Bauteileigenschaften) Bestimmung des optimalen Betriebspunkt der Anlage 19

20 Zielsetzungen Optimierung der Materialeigenschaften für das FDM Herstellung von Thermoplastdrähten mit unterschiedlichen Durchmessern Optimierung der Verbundhaftung zwischen den Schichten bzw. der Porosität des Bauteils Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit Optimierung der Materialeigenschaften für das SLS Compoundierung von Materialien mit optimierten thermischen Eigenschaften (Aufschmelzverhalten, Wärmeleitfähigkeit, Stabilisierung) Pulver-Gewinnung (Ø < 100 µm) Pulver-Modifizierung Pulver-Charakterisierung (Partikelgröße, -Größenverteilung, -Form, Porosität, Rieselfähigkeit, ) Entwicklung von Weiterbildungskonzepten Seminare Lehrgänge 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit