Smart Manufacturing als Schlüsseltechnologie für Hochleistungskeramiken BMBF Workshop Zukun<spotenziale von Hochleistungskeramiken Prof. Dr. Olivier Guillon Prof. Dr. Wolfgang Kollenberg PD Dr. Guido Falk
Was ist Smart Manufacturing? AutomaJsierte und EDV- gesteuerte Herstellungsverfahren machen Fabriken flexibler, sicherer und ökologisch nachhaljger: hohe Effizienz in Energie- und Materialnutzung, sowie im Anlagenbetrieb Gestaltungsfreiheit und Flexibilität durch InformaJonaustausch in Echtzeit schnellere ReakJon auf Wechsel in Nachfrage und WeYbewerb verkürzte Time- to- Market Intervalle schnellere Individualisierung von Produkten Dafür sind zwei Schlüsseltechnologien für die Keramikindustrie entscheidend: AddiJve FerJgungsverfahren Energieschonende Kurzzeitsintertechnologien 2
SubtrakJv Cara Heraeus Kulzer AddiJve FerJgungsverfahren Stereolithographie (SLA) Lasersintern (SLS / SLM) 3D- Drucken (3DP) Fused DeposiJon Modelling 3 (FDM) AddiJv J. Presser (2012) TU Darmstadt
AddiJve Verfahren: Vorteile Prototypen, Musterbauteile schnell und unmiyelbar aus CAD- Daten herstellen - ohne den Einsatz von Formen oder Werkzeugen Bauteile mit beliebiger Stückzahl, individuellem Design und kurzen ProdukJonszeiten (On- demand) Design- driven manufacturing process, bei dem die KonstrukJon die FerJgung besjmmt und nicht umgekehrt EinzigarJge Bauteile mit komplexer Geometrie 4
Industrielle Entwicklung ProducJon of AM Parts for Final Products (%) Von tradi+onellen Verfahren unmi2elbar auf 3D- Herstellungstechnologien umzustellen, rechnet sich nicht. Sta2 dessen erlaubt ein Ansatz, bei dem der Herstellungsprozeß den Designanforderungen folgt, bessere Produkte herzustellen. Mit addi+ven Herstellungs- verfahren ist Bauteilkomplexität kein Problem mehr. Das erlaubt es, gleichzei+g Gewicht sowie Material einzusparen und die Leistungsfähigkeit zu steigern. Greg Morris, Strategy/Business Development Manager, GE AviaJon 5
AddiJve FerJgung von Keramiken Spezielle Herausforderungen wie die IdenJfikaJon von Schlicker- Zusammensetzungen und die nachträgliche Verdichtung haben bisher die Entwicklung von addijv geferjgten keramischen Bauteilen gehemmt. Lithoz WZR Ceramic SoluJons GHI RWTH Aachen Fraunhofer IKTS Dem Stadium einer Kuriosität im Labor- oder Hobby- Maßstab entwachsen, öffnen addi+ve Fer+gungsverfahren die Türen zu vollständig neuen Denkansätzen im Bauteildesign und treiben eine milliardenschwere Industrie. BulleJn of the American Ceramic Society, April 2014 6
IniJaJven InternaJonal: AmericaMakes - Programm (NaJonal AddiJve Manufacturing InnovaJon), Präsident Obama in 2013 Factories of the Future (FoF), Public- Private Partnership (PPP) innerhalb Horizon 2020 Advanced Manufacturing Lab (AML), GE Industrial SoluJons Deutschland: DGM- Fachausschuss AddiJve FerJgung FA 105 AddiJve Manufacturing des VDI FA 13 GeneraJve FerJgung Rapidtechnologien des DVS Fraunhofer- Allianz GeneraJve FerJgung 7
Ziele Exakte MaßhalJgkeit und exzellente Materialeigenscha<en zur gleichen Zeit Kontrolle der Packungsdichte und des Gefüges nach der Konsolidierung Kontrolle der Oberflächengüte Maximierung der Bauteil- Leistungsfähigkeit bei Minimierung von Gewicht und Materialeinsatz ( Topology OpJmizaJon ) Zelluläre Designs, die hierarchische Nanostrukturen nach dem Vorbild der Natur zur Erhöhung von Stabilität und Lebensdauer nachahmen Bereitstellung von Maschinen für die industrielle FerJgung Prozessbegleitende Qualitätssicherung, Qualitätskontrolle der Teile 8
Forschungsbedarf Keramische Ausgangsstoffe für die GeneraJve FerJgung Modellierung und ProzesssimulaJon Kontrolle der Sinterschwindung komplexer Komponenten und der Restspannungen Sehr kleine (<100 µm) und sehr große (>10 cm) Strukturen Erzeugung komplexer 3D- Muster, d.h. Kavitäten und Kanalstrukturen Gradierte Strukturen und lokal variierbare Materialeigenscha<en (durch mehrere Druckköpfe) Zerstörungsfreie Prüfung, NachbearbeitungsschriYe, Oberflächenbehandlungen 9
Die zweite Schlüsseltechnologie Rapid prototyping... Aber langsame, energieintensive thermische Behandlung? Schwer zu verdichtende Werkstoffe? Materialien und WerkstowombinaJonen in thermodynamischen Ungleichgewicht? F. Wakai J Am Ceram Soc (2006) Kurzzeitsintertechnologien: ü Sind energieschonende Herstellungsverfahren für keramische Werkstoffe und Bauteile ü Ermöglichen ein schnelles Materialscreening und die Entwicklung neuer Komposite und Werkstoffverbunde 10
Feldunterstütze Sintertechnologien Field Assisted Sintering / Spark Plasma Sintering und ähnliche Methoden (Electro- Discharge Sintering, Direct Hot Pressing etc.) Pulverkonsolidierungsmethode unter Mechanischer Druckspannung Elektrischem Strom Vorteile: Hohe Heiz- und Abkühlraten Durchlaufzeit von 20-30 min. statt mehrerer Stunden J.E. Garay, Annu. Rev. Mater. Res. (2010) Materialeigenschaften beeinflussen den Prozess 11
Erfolge FAST/SPS Dichte Targets (bis 40 cm Durchmesser) für DünnschichYechnologien basierend auf Abscheidung aus der Gasphase 2D/3D- geformte Bauteile aus Nitrid- und Karbidkeramiken VenJlkomponenten aus dichtem, reinem TiC Komplexe Legierungssysteme (schmelzmetallurgisch nicht herstellbar) 12
InternaJonale Lage Si 3 N 4 /Al 2 O 3 Bauteile für Homogenisatoren In Japan hergestellte SPS Anlagen (2012) Expertenkreis FAST/SPS im Gemeinscha<sausschuss Pulvermetallurgie seit 2012 hyp://www.fast- sps.de 13
Feldunterstütze Sintertechnologien Mikrowellensintern Flash Sintering J. Francis, R. Raj, University of Colorado flash sintering could be one of the most profound and disrup+ng developments in materials in the last 50 years American Ceramic Society BulleJn (2013) 14
Notwendigkeit systemajscher Grundlagenforschung Antrag für die Einrichtung eines neuen DFG- Schwerpunktprogramms: Electric and magne5c field controlled manipula5on of ma9er: Towards novel synthesis and processing routes of inorganic materials Materialsynthese, welche durch konvenjonelle thermische bzw. mechanische Verfahren nicht erreicht werden kann Einstellung von maßgeschneiderten Mikrostrukturen, Texturierung durch unabhängige Kontrolle von Phasenumwandlungen oder Kornwachstum Kontrollierte von Defektbildung und - heilung TechnologieorienJerte Forschung (BMBF): Entwicklung von energiesparenden Sinter- und Formgebungsmethoden Endkonturnahe ProdukJon mit hohen Verformungsgeschwindigkeiten unter reduziertem Druck und Temperatur 15
PotenJelle Anwendungen E BSCF F Bilder D D ZrO2- TiCN 1 µm 1 NiCoCrAlY µm F Direction of Compressive Force E After Before Direction of Compressive Force Neue Materialien und einzigarjge WerkstowombinaJonen: - DefektredukJon (bessere Verdichtung, kleinere Korngröße) und Nanomaterialien C B - Ultrahochtemperaturkeramiken - Thermoelektrika C B - Metall- Keramik Verbundwerkstoffe/Werkstoffverbünde - Gradientenwerkstoffe A - Before Materialien in tafter hermodynamischem Ungleichgewicht A ZrO2- CNT Diamanten aus CNTs 16
Herausforderungen und FuE Bedarf Flexible Werkzeugkonzepte durch numerische SimulaJonen Erhöhung der ProdukJvität, höherer AutomaJsierungsgrad Realisierung von komplexen, endkonturnahen Bauteilen Hochskalieren der Bauteilabmessungen OpJmierte Hybrid- Heizsysteme, neue Öfenkonzepte Fügen, Sinterschmieden Guillon et al. Adv. Eng. Mat. 2014 17
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit GHI 18