Herausforderungen des 3D-Druckens für den industriellen ... · Herausforderungen des 3D-Druckens...
Transcript of Herausforderungen des 3D-Druckens für den industriellen ... · Herausforderungen des 3D-Druckens...
16.09.2014
1
1
Herausforderungen des 3D-Druckens für den industriellen Einsatz - Status & Ausblick
Dr. Jan T. SehrtProf. Gerd WittAndreas WegnerTobias Grimm
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
2
Agenda
• Einführung in die additive Fertigungstechnik
• Aktueller Hype / Visionen / Erwartungen
• Möglichkeiten und Grenzen
• (R)Evolution der Produktion!?
• Forschungsfelder am RTC der Uni DuE
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
2
3
Einteilung der additiven Fertigungsverfahren
Ex-Kurs: „3D Druck“ ≠ 3D Druck
Laser-SinternLaser-Sintern
Laser-StrahlschmelzenLaser-Strahlschmelzen
Fused Layer ModellingFused Layer Modelling
Multi-Jet ModelingMulti-Jet Modeling Poly-Jet ModelingPoly-Jet Modeling
Layer Laminated ManufacturingLayer Laminated Manufacturing
3D-Printing3D-Printing
Digital Light ProcessingDigital Light Processing
StereolithographieStereolithographie
[Z-Corporation][Sintermask]
Elektronen-StrahlschmelzenElektronen-Strahlschmelzen
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
Thermotransfer-SinternThermotransfer-Sintern
4
Definition:
Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element- oder schichtweise aufgebaut wird. (VDI 3404)
Anforderungsabhängige Einteilung:
Additive Fertigungsverfahren
Generative Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter
Funktionalität
Generative Methoden und Verfahren zum Bau von
Werkzeugen und Formen
Generative Herstellung von Endprodukten (häufig für den
“Serieneinsatz”)
[protocam.com]
Rapid ManufacturingRapid Prototyping Rapid Tooling
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
3
5
Verfahrensprinzip am Bsp. Laser-Strahl-schmelzen
Laser
Umlenkspiegel mit Fokuseinrichtung
Klinge zur Pulverbeschickung
Pulvervorratsbehälter
Arbeitsplattform und Hubtisch
Bauteil
nicht versintertes Pulver
Überlauf
Belichten
Absenken
Pulverauftrag
Brennpunkt
Stützstruktur
Direkte MetallbauteileHerstellung von FunktionsmodellenZumeist einphasiges VerfahrenWiederverwendung von nicht benutztem Material
StützkonstruktionenInertgas notwendigOberflächengüteHohe Energiekosten
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
6
Zeitliche Einordnung der additiven Fertigung
Industrielles Drehen (1550)
heute
AF (1982)
19751550
Automobilherstellung (1886)
Laserentwicklung (1960)
Universalrechner (1946)
1950
Technische Nutzung des Stromes (1850)
1850t
1875 1900 1925 2000
Motorgesteuertes Flugzeug (1903)
Dampfmaschine (1712)
Industrieller Kunststoff (1905)
Standardisierung von Schraubengewinden (1860)
Düsentriebwerk (1928)
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
4
7
Agenda
• Einführung in die additive Fertigungstechnik
• Aktueller Hype / Visionen / Erwartungen
• Möglichkeiten und Grenzen
• (R)Evolution der Produktion!?
• Forschungsfelder am RTC der Uni DuE
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
8
Aktuell: Trend vom Consumer zum Prosumer
[Nike]
[CocaCola]
[MyMuesli]
[3DSystems]
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
5
9
Mediale Visionen
Mediale Visionen zum „3D-Druck“
3D Druck auf dem Mond
www.spiegel.de
Allerdings auch Berichte über das 3D-Drucken von Waffen…
3D Druck von Flugzeugen Ein 3D Drucker für Alles
Die Zeit
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
10
Unrealistische Erwartungen?
§ Für zukünftige Projekte visionär, aber realistisch bleiben!
§ Keine falschen Aussagen treffen: „Jeder kann alles mit jeglichen Materialien in allen Farben zu geringen Kosten bis morgen drucken!”
§ Formulierungen wie “Heutzutage ist es nicht möglich, komplette Maschinen ganzheitlich mit einem Drucker herzustellen, aber was zukünftig möglich sein wird…” verwenden.
§ Verständnis, Wissen & Vertrauen schaffen
Geschürte Erwartungen an die Technologie
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
6
11
Auf dem Weg zur Produktivität…
Gartner-Hype-Zyklen
[www.gartner.com]
2013 erstmalsDifferenzierung
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
12
HohesMarktpotential§ Quantifizierbare
Aussagen zur weiteren Marktentwicklung
§ Studien zur konkreten Anwendung der Verfahrensvorteile
Marktanalysen
[canalys]
[Roland Berger]
§ 85 g Gewichtsreduktion / Stk.§ 72,5 kg Gewichtsred. / A380§ Hochgerechnet 3.300.000 l Kerosinersparnis im
Lebenszyklus eines A380: ~ 2.000.000 €[SAVING Project]
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
7
13
Agenda
• Einführung in die additive Fertigungstechnik
• Aktueller Hype / Visionen / Erwartungen
• Möglichkeiten und Grenzen
• (R)Evolution der Produktion!?
• Forschungsfelder am RTC der Uni DuE
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
14
Materialeigenschaften (Metall)
Anisotropie mechanische Eigenschaften
§ Zugfestigkeit steigt mit steigendem Polarwinkel
⇒ Schichtstruktur, mögliche Fehlstellen zwischen den Schichten
⇒ Unvollständige/ fehlerhafte Aufschmelzung oder Beschichtung
⇒ Anordnung der Kristallachsen durch vertikale Abkühlung
Räumliche Anordnung Zugfestigkeit - Polarwinkel
860,0
880,0
900,0
920,0
940,0
960,0
980,0
1000,0
0,0 22,5 45,0 67,5 90,0
Tens
ilest
reng
th[N
/mm
2 ]
Polar angle θ [°]
Rz 6,3 rotiert
Rz 6,3 xy
unbearbeitet rotiert
unbearbeitet xy
Ø Standard deviation:§ 28,17 N/mm2
♦ 27,67 N/mm2
17,14 N/mm2
14,71 N/mm2
rot
unmachined rot
unmachined xy
Rz 6,3 xy
Rz 6,3 rot
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
8
15
Auslegung und Design
18,5 mm
Design vom Testkörper
§ Basisplatte mit Inseln
§ Inseln ∢ 45°Beschichter
§ Boden mit 60°Kerbe
§ Geringe Bauhöhe
Test Geometrien§ Ausgerichtete Wandstärken
§ Ausgerichtete Spalte
§ Wände/ Spalte ∢ 45°Beschichter
§ Ausgerichtete Zylinder
§ Ausgerichtete Bohrungen
§ Aufbauwinkel 40°bis 80°
§ Glockenprofil
Download: http://udue.de/amt
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16
Qualität von AM
Prozessabbrüche im LBMInkorrekte Aufschmelzung
Kollision von Beschichter mit Bauteil
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
9
17
Qualität von AM
Prozessabbrüche im LS - Fehlerarten
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
• Curling der ersten Bauteilschichten• Bauteilverzug• Melt-Down im Bauraum• Schichtablösungen• Scannerfehler• Kollision Beschichter mit Bauteil
18
Standardisierung im Bereich AM
Überblick über weltweite Standardisierung
Source: EOS, Jörg Lenz
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
10
19
Agenda
• Einführung in die additive Fertigungstechnik
• Aktueller Hype / Visionen / Erwartungen
• Möglichkeiten und Grenzen
• (R)Evolution der Produktion!?
• Forschungsfelder am RTC der Uni DuE
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
20
„Individuelle Massenproduktion“
(R)Evolution der Produktion!?
Stü
ckza
hl
Vielfalt
1850
1913
1955 1980
2000
Zeit
Homogene Produkte Heterogene Produkte
Massen-produktion
Globalisierung
Based on: http://blog.treehouselogic.com/2011/02/11/from-bespoke-to-mass-customization/
plan
et-w
isse
n.d
e
süddeutsche.de
cubi
fy.c
om
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
11
21
(R)Evolution in der Mode?
(R)Evolution der Produktion!?
shapeways.com shapeways.com
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
22
(R)Evolution in der Lebensmittelbranche?
(R)Evolution der Produktion!?
3D-Drucker als Haushaltsgerät
haute-innovation.com futuristspeaker.com culinarymanager.ch
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
12
23
(R)Evolution in der Kunst?
(R)Evolution der Produktion!?
Unmögliches wird möglich: Individuelle Kunstobjekte:
www.cs.technion.ac.il
www.cs.technion.ac.il
www.hat.mmu.ac.uk
http://static1.schoener-wohnen.de/ www.rapidtech.de
www.southernguild.co.za
http://src.avant-mardi.com/
www.freedomofcreation.com
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
24
(R)Evolution in der Schmuckindustrie?
(R)Evolution der Produktion!?
Vom Goldschmied zum CAD-Designer:
www.eos.info
www.arch2o.comwww.freedomofcreation.com
www.freedomofcreation.com
www.engineering.com
Realizer
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
13
25
(R)Evolution in der Musik?
(R)Evolution der Produktion!?
Neues Design / Neuer Sound: Neue Instrumente?
http
://3d
ruck
.com
http
://bl
og.s
culp
teo.
com
http
://w
ww
.wire
d.c
o.u
k
http://createdigitalmusic.com
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
26
(R)Evolution in der Medizin?
(R)Evolution der Produktion!?
[www.explainthefuture.com]
[www.theatlantic.com][IDTechEx]
Prognostizierter Markt für 3D Bioprintig [in US$B]:
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
14
27
(R)Evolution in der Bauindustrie?
(R)Evolution der Produktion!?
D-Shape 3D Stein Drucker
http://www.detail360.de
http://www.the9billion.com
http://fabbaloo.com
Zement Drucker
http://assets.inhabitat.comhttp://press.d-shape.comhttp://press.d-shape.com
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
28
(R)Evolution in der Holzindustrie?
(R)Evolution der Produktion!?
[CC-Products] [Wired-Magazine]
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
15
29
(R)Evolution in der Keramikindustrie?
(R)Evolution der Produktion!?
[http://www.lithoz.com][http://www.3dsystems.com]
[http://www.lithoz.com]
Direkt:
Indirekt:
Technologie: 3D-Druck
Technologie: Laser-Strahlschmelzen
Lithography-based Ceramic Manufacturing
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
30
Agenda
• Einführung in die additive Fertigungstechnik
• Aktueller Hype / Visionen / Erwartungen
• Möglichkeiten und Grenzen
• (R)Evolution der Produktion!?
• Forschungsfelder am RTC der Uni DuE
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
16
31
Aktuelle Forschungsprojekte am RTC (Auswahl)
DesignDesign WerkstoffeWerkstoffe ProzessProzess Post-ProzessPost-Prozess
Ziele: § Unterstützung von Anwendern in der gesamten AM-Prozesskette
§ Ermittlung von Designgrenzen und -möglichkeiten
§ Aufbau anforderungsgerechter Geometriemodelle
§ Vereinfachung der prozessvorbereitenden Algorithmen
§ Vereinfachung der Methoden zum Aufbau von Stützkonstruktionen
§ Generierung von Schichtdaten
Wissensbasiertes Unterstützungssystem für AM-gerechte 3D-CAD-CAM-Prozesse
Projekt:
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
32
Aktuelle Forschungsprojekte am RTC (Auswahl)
Ziele: § Erweiterung des Werkstoffspektrums
§ Steigerung des Prozessverständnisses
§ Beeinflussung der Gefügeausprägung
Qualifizierung von Metall- und Kunststoffwerkstoffen für die additive Fertigung
Projekt:
DesignDesign WerkstoffeWerkstoffe ProzessProzess Post-ProzessPost-Prozess
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
17
33
Aktuelle Forschungsprojekte am RTC (Auswahl)
Ziele: § Quantifizierung der Oberflächencharakteristika
§ Entwicklung von spezifischen Oberflächenparametern
§ Automatisierter Qualitätssicherungsprozess
Optische und flächenhafte Oberflächenanalyse additiv gefertigter Bauteile
Projekt:
DesignDesign WerkstoffeWerkstoffe ProzessProzess Post-ProzessPost-Prozess
0.25 mm
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
34
Auswahl weiterer Forschungs- und Anwendungsbeispiele
Hybridaufbau Poröse Strukturen
RFID-IntegrationVideo-Ureteroskop
Leichtbaustruktur
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
16.09.2014
18
35
Zusammenfassung und Ausblick
Erfolgsfaktoren für das Additive Manufacturing
§ Wissen, Vertrauen und Akzeptanz schaffen
§ Designvorteile nutzen undBauteilmehrwerte generieren
§ Ausbildungsinhalte anpassen
§ Implementierung einer QS
§ Qualitätsverbesserung
§ Vereinfachung des Post-Prozesses
§ Reproduzierbarkeit, Robustheit
§ Standardisierung…
Stü
ckko
sten
Stückzahl
AM heute
konventionelleFertigung
AM zukünftig
Komplexität
AM heute
konventionelleFertigung
AM zukünftig
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk
36
Kontakt
Dr.-Ing. Jan T. Sehrt [email protected]+49 203 379 1570
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Essen, 15. September 201420. ComIn Talk