Neue Möglichkeiten zur additiven Fertigung von metallischen Mikrobauteilen Michael Kniepkamp Dresden 12. November 2015 Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich Bildquelle: 3D MicroPrint GmbH
Agenda Einführung in die additive Fertigungsverfahren und den SLM Prozess Vergleich von SLM und µslm Prozess Mechanische Eigenschaften beim µslm Oberflächenqualitäten beim µslm Beispielbauteile Zusammenfassung Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 2
Was ist additive Fertigung? Abtragende Prozesse Formative Prozesse Additive Prozesse Entfernen von Material top down Prinzip Aus Halbzeugen Benötigt Werkzeuge Teil in einem Schritt gegossen Verflüssigtes Ausgangsmaterial Benötigt Formwerkzeuge Schichtweises Auftragen von Material bottom up Prinzip Benötigt keine zusätzlichen Werkzeuge Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 3
Markenbezeichungen VDI 3404 Pulverbett basiertes Verbinden Begriffsdefinitionen Abkürzung Bezeichnung Kunststoff Metall LS Laser-Sintern / laser sintering x x LBM Laserstrahlschmelzen / laser beam melting x EBM Elektronenstrahlschmelzen / electron beam melting x SLM Selektives-Laser-Schmelzen / selective laser melting x SLS Selektives-Laser-Sintern / selective laser sintering x x SHS TM Selective Heat Sintering x DMLS Direktes Metall-Laser-Sintern / direct metal laser sintering x LaserCUISING x DMP Direct Metal Printing x LMF Laser Metal Fusion x µslm Mikrolaserschmelzen x Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 4
Prozessablauf Selektives Laserschmelzen Datenverarbeitung 1) 3D CAD Modell 2) Slicen 3) Pulverauftrag Laserstrahl y z x 6) Entnahme des Bauteils 5) Absenken der Bauebene 4) Belichtung Quelle: eigene Darstellung nach Poprawe 2005 Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 5
Aktuelle Trends in der Anlagenentwicklung Mikro-System Standard System Groß-System Bauraum Ø 60 mm 250 x 250 mm 500 x 500 mm Schichtstärke < 10 µm 20 100 µm 20 300 µm Fokusdurchmesser 30 µm 80 180 µm 100 300 µm Entwicklungsziel Mikrobauteile Größere Bauteile, höhere Aufbauraten Bildquellen: EOS, Concept Laser Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 6
Auflösung beim Selektiven Laserschmelzen Auflösung in XY-Richtung Auflösung in Z-Richtung Bauteilsollkontur Schichtstärke Bauteilsollkontur Grenze der Auflösung Grenze der Auflösung Bahnkontur des Laserstrahls Treppenstufeneffekt y Fokusdurchmesser z z x y x Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 7
Abs. Häufigkeit in % Herausforderungen beim Mikrolaserschmelzen Pulverauftragsmechanismus Beschichterklinge Partikelgrößenverteilung beim SLM und µslm Prozess Bauplattform Schichtstärke 16 14 12 10 Laserschemlzen Mikrolaserschmelzen 8 6 4 2 Maximaler Partikeldurchmesser 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Partikeldurchmesser in µm Mikrolaserschmelzen erfordert feinere Pulver, um kleinere Schichtstärken zu realisieren. Diese neigen jedoch zur Agglomeration, was eine Herausforderung beim Applizieren von diskreten Pulverschichten darstellt. Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 8
Prozessparameter beim SLM Prozess Prozessparameter Linienenergie E L = P L v s Flächenenergie E F = P L v s h s z y x Als Ausgangswerkstoffe kommen einkomponentige Metallpulver zum Einsatz. Diese werden durch den Laserstrahl komplett aufgeschmolzen Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 9
Scangeschwindigkeit in mm/s Prozessfenster beim Mikrolaserschmelzen Prozessfenster beim µslm für den Edelstahl ST 1.4404 / 316L Balling 4000 3500 3000 4 1 Energieeintrag zu hoch 2500 2000 1500 1000 3 2 2 3 4 Stabiles Schmelzbad Balling Kein Aufschmelzen Stabiles Schmelzbad 500 0 0 5 10 15 20 25 1 30 Laserleistung in W Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 10
Relative Dichte in % Mechanische Eigenschaften: Relative Bauteildichte Relative Dichte archimedisch bestimmt bei konstanter Linienenergie Schliffprobe 98,82 % rel. Dichte 100 99,5 99 98,5 98 97,5 97 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Laserleistung in W Schliffprobe 99,30 % rel. Dichte Ab einer Linienenergie von 0,05 J/mm können dichte Volumenkörper aufgebaut werden. Bei steigender Laserleistung können Dichten von mehr als 99 % erreicht werden Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 11
Spannung in MPa Mechanische Eigenschaften: Zugversuch Mikro-Zugprobe Spannungs-Dehnungs-Verlauf im Zugversuch 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Probe 1 Probe 2 Probe 3 Probe 4 0 10 20 30 40 50 60 Dehnung in % µslm Konventionell Zugfestigkeit [MPa] 710 714 500 700 Bruchdehnung 39-52 >40 Dehngrenze [MPa] 628 646 >200 Mechanische Eigenschaften vergleichbar zu konventionell hergestellten Bauteilen. Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 12
Oberflächenqualität SLM Aufschmelzverhalten beim SLM Verfahren Laserstrahl Ra: 5 µm Rz: 28 µm y z x Bauteil Pulverbett Ra: 25 µm Rz: 130 µm 300 µm Oberflächenqualität ist abhängig von der Bauteilorientierung. Teilweise aufgeschmolzene Partikel sorgen für hohe Rauigkeiten an den Seitenflächen. 300 µm Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 13
Mittenrauwert / Rautiefe in µm Oberflächen µslm: Vertikale Flächen 60 50 45,81 Rz Ra 40 30 20 10 0 13,04 8,41 8,40 1,96 1,33 1 2 3 Ohne Konturbelichtung Mit Konturbelichtung Gestrahlt z y 300 µm 300 µm 300 µm x Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 14
Mittenrauwert / Rautiefe in µm Oberflächen µslm: Horizontale Flächen Re-Melting: Erneutes Aufschmelzen der obersten Schicht 16 14 12 10 8 6 4 2 0 13,66 4,36 2,33 Ohne Re-Melting 1 2 Rz Ra 0,719 Mit Re-Melting Oberflächenrauigkeit ist beim µslm um bis zu 80% reduziert gegenüber dem konventionellen SLM Prozess z y x 300 µm 300 µm Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 15
Kosten pro Teil Kosten pro Teil Wirtschaftlichkeit AM Keine Mehrkosten durch Individualisierung Keine Mehrkosten durch höhere Komplexität Konventionell Additiv Konventionell Additiv Losgröße Komplexität individualization for free complexity for free Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 16
µslm Beispielbauteile Mikro-Fluidmischkammer Gitterstruktur Hochzeitsturm Durchmesser: 5 mm Höhe: 8 mm Kanaldurchmesser: 0,4 mm Minimale Wandstärke: 60 µm Aspektverhältnisse > 200 möglich Höhe: 28 mm Breite: 6 mm Bauzeit: 3 h Bauzeit: 1h Bauzeit: 6,5 h Einsatz bei der Herstellung von Prototypen und Kleinserien Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 17
Zusammenfassung Stand der Technik µslm: Auflösung gegenüber konventionellem SLM Verfahren deutlich gesteigert Relative Bauteildichten von > 99 % möglich Mechanische Eigenschaften vergleichbar mit konventionell hergestellte Bauteilen Bessere Oberflächenqualitäten als beim konventionellem SLM Verfahren Aktueller Einsatz bei Prototypen und Kleinserien Ausblick: Erweiterung der Materialpalette Steigerung der Prozesssicherheit Steigerung der Produktivität Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich 151112MK 18
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße 2 64287 Darmstadt Tel.: +49 6151 16-20102 Fax: +49 6151 16-20087 E-Mail: info@ptw.tu-darmstadt.de Internet: www.ptw.tu-darmstadt.de Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. E. Abele / Prof. Dr.-Ing. J. Metternich