Einführung in den 3D-Druck...DIN EN ISO 17296-2 Additive Fertigung – ... 2015. [VDI2016] VDI...
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© KIMA, 2017 www.uni-kl.de/kima 1Bearbeiter: Dipl.-Ing. Nils Buschhorn
„Additive Fertigung: Chancen und Herausforderungen durch 3D-Druck“
16.03.2017, Ludwigshafen am Rhein
Einführung in den 3D-Druck Grundlagen, Verfahren, Begriffe
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Lehrstuhl KIMA
Additive Fertigung
Begrifflichkeiten
Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika
Prozesskette
Normung
Fazit
Gliederung
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Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau (KIMA)
Forschungsprofil KIMA
Forschungsprofil
Konzeption von Produkt-entwicklungsprozessen
Methodische Produktentwicklung
Systemmodellierung und Simulation
Prüfstands- und Feldversuche
Nutzfahrzeugtechnik
Allgemeiner Maschinenbau
Forschungsschwerpunkt AM:
Integration der additiven Fertigung in den Produktentwicklungsprozess und Produktlebenszyklus
Identifizierung technisch-wirtschaftlich geeigneter Komponenten für die additive Fertigung
Bauteilauslegung und –optimierung
Designrichtlinien
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Software:
Alle gängigen industriell genutzten Softwarepakete
3DXpert
AM-Anlagen
Fused Layer Modeling (FLM) 254 x 254 x 305 mm
Color Jet Printing (CJP)254 x 381 x 203 mm
Laser Beam Melting (LBM)275 x 275 x 420 mm
Prüfstände
multiaxiale servo-hydraulische Testsystemezum Prüfen kompletter Bauteile unter komplexer,realitätsnaher Belastung.
Ausstattung KIMA (TU)
Quelle: 3D Systems
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Lehrstuhl KIMA
Additive Fertigung
Begrifflichkeiten
Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika
Prozesskette
Normung
Fazit
Gliederung
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Begrifflichkeiten
Quelle: VDI3405
Additive Fertigung/Additive Manufacturing (3D Druck)Verfahren zur schichtweisen und werkzeuglosen Herstellung von Bauteilen.
Rapid PrototypingPrototypen-fertigung, eingeschränkte Funktionalität
Rapid ManufacturingHerstellung von Funktionsbauteilen
Rapid ToolingHerstellung von Werkzeugen, Formen oder Formeinsätzen für klassischen Fertigungsverfahren (urformenden/umformenden)
Hybride FertigungAdditive Fertigung im konv. Bearbeitungszentrum – z.B. Laser Metal Deposition;Bauteil z.T. konventionell, z.T. additiv gefertigt (miteinander verbunden)
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Lehrstuhl KIMA
Additive Fertigung
Begrifflichkeiten
Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika
Prozesskette
Normung
Fazit
Gliederung
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Werkzeuglos und bedarfsgerechte Bereitstellung
Verzicht auf Lagerhaltung
einfache Anpassung
Individualisierung
komplexe Formen realisierbar
konturnahe und bionische Strukturen
Leichtbau und Materialeffizienz
Integralbauweise
…
Vorteile
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weitere Verfahren siehe z.B. VDI 3405
Werkstoffe
Fertigungs-verfahren
Verfahrens-prinzip
Ausgangs-zustand
Verfahrensübersicht
in Anlehnung an VDI3405, BBW2013
folienförmig pulverförmigstrang-/
drahtförmigflüssig
Verkleben und Schneiden
Verfestigung durch Bindern
Punktweises Härten durch Strahlung
Aufschmelzen und Aufspritzen
Aushärten durch Strahlung
Kunststoff, Metall, Keramik,
Papier
Kunststoff, Metall, Keramik,
FormsandKunststoff PhotopolymerMetall
Kunststoff, Metall, Keramik,
Formsand
Layer Laminated
Manufacturing3D-Printing
Fused Layer Modeling
StereolithografieLaser-Strahl-schmelzen
Laser-SinternFused Layer
ModelingLaser-Strahl-schmelzen
Laser-Sintern
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Verfahren:Fused Layer Modelling (FLM)
beheizte Düse
Linie-für-Linie-Auftrag
solide Stützstruktur(Stützmaterial)
BauplatteBauplattform mit Hubtisch
generiertes Bauteil(Baumaterial)
Materialvorrat in Drahtform (Stützmaterial)
Materialvorrat in Drahtform (Baumaterial)
Eigenschaft Vorteil Nachteil
Aufschmelzen und schichtweises Ablegen eines Kunststoffstranges
+ große Bauteile+ einfache Verarbeitung+ günstig
- nur Polymere- geringe Oberflächenqualität
Quelle: VDI3405
Abbildung in Anlehnung anVDI3405
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Verfahren:Laser-Sintern (LS)
Quelle: VDI3405
BeschichterVerfestigungszone
X-Y-Scanner
generiertes Bauteil
Pulvervorratsbehälter
disperse Stützstruktur
Überlaufbehälter
Hubtisch
Laser
Abbildung in Anlehnung anVDI3405
Eigenschaft Vorteil Nachteil
Punktuelles Sintern einer Pulverschicht mittels Laser
+ keine Stützstruktur nötig+ große Materialpalette+ für Keramik geeignet
- relativ raue Oberflächen- Anschaffungspreis hoch
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Beschichter
Pulvervorratsbehälter
generiertes Bauteil
VerfestigungszoneX-Y-Scanner
solide Stützstruktur
Hubtisch mit Bauplattform
Überlaufbehälter
disperse Stützstruktur
Laser
Verfahren:Laser-Strahlschmelzen (LBM)
Eigenschaft Vorteil Nachteil
Punktuelles vollständiges Aufschmelzen einer Pulverschicht mittels Laser
+ hohe mech. Festigkeit+ nahezu poren-/rissfrei+ nahezu 100% Dichte
- Stützstrukturen notwendig- Hohe thermisch induzierte
Eigenspannungen
Quelle: VDI3405
Abbildung in Anlehnung anVDI3405
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Werkstoffspektrum beschränkt
AM-gerechte Konstruktion & Fertigung bedarf hohes Know-How
Öffnungen für Stützmaterial-/Pulverentfernung
geneigte Flächen problematisch
richtungsabhängige Materialeigenschaften
Abhängigkeit der Werkstoffeigen-schaften von Anlage & Material
Schichtstärke/Strangdicke maßgeblichfür Oberflächenqualität
Restriktionen
Abbildung nach [VK2007]
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Lehrstuhl KIMA
Additive Fertigung
Begrifflichkeiten
Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika
Prozesskette
Normung
Fazit
Gliederung
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Prozesskette nach VDI 3405
Prozesskette KIMA – Ersatzteilbereitstellung
Prozesskette
Pre-Prozess In-Prozess Post-Prozess
• Datenvorbereitung
• Anlagenvorbereitung
• entfernen Stützstruktur
• Nachbearbeitungsschritte
• schichtweiser Bauteilaufbau
• Entpacken/Entnehmen
Bauteil digitalisieren
Ist-Zustand modellieren
FE-Analyse durchführen
konstruktiv anpassen
Prototypen fertigen
Bauteil fertigen
Bauteil nach-bearbeiten
Bauteil prüfen
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Lehrstuhl KIMA
Additive Fertigung
Begrifflichkeiten
Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika
Prozesskette
Normung
Fazit
Gliederung
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Normen und Richtlinien
VDI DIN
VDI 3405Additive FertigungsverfahrenGrundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibung
DIN EN ISO/ASTM 52900Additive Fertigung –Grundlagen – Therminologie
VDI 3405 Blatt 1Additive Fertigungsverfahren, Rapid ManufacturingLaser-Sintern von KunststoffbauteilenGüteüberwachung
DIN EN ISO 17296-2Additive Fertigung –Grundlagen – Teil 2: Überblick über Prozesskategorien und Ausgangswerkstoffe
VDI 3405 Blatt 2Additive FertigungsverfahrenStrahlschmelzen metallischer BauteileQualifizierung, Qualitätssicherung & Nachbearbeitung
DIN EN ISO 17296-3Additive Fertigung –Grundlagen – Teil 3: Haupteigenschaften und entsprechende Prüfverfahren
VDI 3405 Blatt 3Additive FertigungsverfahrenKonstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mitLaser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen
DIN EN ISO 17296-4Additive Fertigung –Grundlagen – Teil 4: Überblick über die Datenverarbeitung
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Lehrstuhl KIMA
Additive Fertigung
Begrifflichkeiten
Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika
Prozesskette
Normung
Fazit
Gliederung
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Vorteile:
werkzeuglos
bedarfsgerecht
komplexe Formen realisierbar
Verfahren:
Fused Layer Modeling
Laser-Sintern
Laser-Strahlschmelzen
Handlungsfelder
Arbeitssicherheit
Ausbildung/Schulung
Rechtliche Aspekte
Qualitätskriterien
Fazit
Quelle: VDI2016, Aca2016
Restriktionen:
Materialeigenschaften
Werkstoffspektrum
Gestaltung
Anwendungsfelder
individuelle Betrachtung
Mehrwert generieren
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Leistungsspektrum KIMA
Bauteilidentifizierung
Additive Fertigung
NachbearbeitungTeiledimensionierung
Materialcharakterisierung
Qualitätssicherung
Strukturoptimierung Reverse Engineering
Lassen Sie uns diese Themen gemeinsam bearbeiten.
Bauteilprüfung
& Partnerinstitute
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[Aca2016] Acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V.: Additive Fertigung Stellungnahme, 2016
[BBW2013] Breuninger, J. ; Becker, R. ; Wolf, A. ; Rommel, S. ; Verl, A.: Generative Fertigung mit Kunststoffen – Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern, 1.Auflage, Heidelberg: Springer, 2013
[GRS2015] Gibson, I. ; Rosen, D. ; Stucker, B.: Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping and direct digital manufacturing, 2nd ed. New York, NY: Springer, 2015.
[VDI2016] VDI Handlungsfelder Additive Fertigungssysteme, 2016
[VDI2221] Richtlinie VDI 2221 Mai 1993: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung, Berlin: Beuth-Verlag.
[VDI3405] VDI-RICHTLINIE 3405: Additive Fertigungsverfahren – Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschrei-bungen, Dezember 2014, VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik, Berlin: Beuth-Verlag.
[VDI 3405-3] VDI-RICHTLINIE 3405: Additive Fertigungsverfahren, Blatt 3: Konstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mit Laser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen. Ausgabe Februar 2015, VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL), Berlin: Beuth-Verlag
[VK2007] Vandenbroucke, B. ; Kruth, J.-P.: Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts. In: Rapid Prototyping Journal 13 (2007) S. 196-203
Quellen