3D-Druck · 8 • 1987 – Stereolithographie Verfahren (3D Systems - Chuck Hull) • 1991 – Fused Deposition Modeling Verfahren (Stratasys) • 1995 – Erste metallverarbeitende

© Fraunhofer IGD 3D Druck ----- Stand der Technik und Perspektiven

3D-Druck Stand der Technik und Perspektiven

Quelle: site.ge-energy.com


Überblick

1

Einführung in den 3D Druck

3D Druck Technologien

• Fused Deposition Modeling (FDM) • Selektives Lasersintern / -schmelzen (SLS/SLM) • Binder-Jetting (3DP) • Stereolithographie (SL) • Multi Jet Modeling (MJM)

Markt

Vorstellung / 3D Druck am Fraunhofer IGD

Ausblick

Mechanische Eigenschaften


67 Institute und Forschungseinrichtungen

Mehr als 23 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Forschungsvolumen 2 Milliarden Euro

Rund zwei Drittel erwirtschaftet Fraunhofer aus Aufträgen der Industrie und öffentlich finanzierten Forschungsprojekten

Rund ein Drittel Grundfinanzierung

Internationale Niederlassungen: Kontakt zu den wichtigsten Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen

»Fraunhofer-Linien«

IGD

_de.

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Die Fraunhofer-Gesellschaft


235 Mitarbeiter (FTE) 17 Mio € Budget 4 Standorte Darmstadt, Rostock, Graz und Singapur 14 F&E-Abteilungen für angewandte Forschung in Visual Computing und die Nutzbarmachung von Forschungsergebnissen in der Wirtschaft

Die weltweit führende Einrichtung für angewandtes Visual Computing

3

IGD

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Fraunhofer IGD (Stand 2013)


Optische Material-

eigenschaften

+

Graphischer 3D-Druck

3D-Gittermodell (STL-Datei…)

Universeller “Druckertreiber”

Reproduktion

System Druckertreiber

3D-Drucksystem

• Neue Algorithmen + Software • Weitgehend unabhängig vom

verwendeten Druckverfahren

4


Graphischer 3D-Druck

5

www.cuttlefish.de

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Einführung 3D Druck


Was ist 3D Druck / Additive Fertigung?

7

Abtragende Verfahren Gießprozesse Additive Fertigung

• Entfernen von Material • “Top-Down” Prinzip • Benötigt Werkzeuge

• Objekt aus einem Teil gegossen

• Verflüssigtes Material • Benötigt Formwerkzeuge

• Schichtweises Auftragen von Material

• “Bottom-Up” Prinzip • Benötigt keine

zusätzlichen Werkzeuge Quelle: PTW, TU Darmstadt


Geschichte des 3D Drucks

8

• 1987 – Stereolithographie Verfahren (3D Systems - Chuck Hull) • 1991 – Fused Deposition Modeling Verfahren (Stratasys)

• 1995 – Erste metallverarbeitende Laserschmelzanlagen

• 1996 – Erste Binder Jetting Anlagen (ZCorp)

• 2000 – Erste Multi Jet Modeling Systeme (Objet)

• 2009 – FDM Patent von Stratasys läuft aus

-> FDM-basierte Consumer Drucker erscheinen (< $ 5000)

• 2012 – Internet 3D-Druckportale starten

• 2013 – Ca. 75000 3D-Drucker weltweit

Quelle: Wohlers Report


Consumer 3D Druck

Bioprinting

9

Hype-Zyklus - 3D Druck - (Gartner 2013)

Erwartungen

Zeit

Innovation Gipfel

überzogener Erwartungen

Tal der Ernüchterung

Anstieg der Erleuchtung

Plateau der Produktivität

Professioneller 3D Druck


Additive vs. Konventionelle Fertigung

Additiv

Konventionell

Anzahl Teile

Kost

en P

ro T

eil

Keine Mehrkosten durch Individualisierung

Additiv

Konventionell

Kompexität Ko

sten

Pro

Tei

l

Keine Mehrkosten durch höhere Komplexität

Quelle: PTS, TU Darmstadt

Nachteile Additiver Fertigung • Langsame Bauraten -> Keine Massenproduktion • Begrentztes Bauvolumen • Oft Nachbearbeitung notwendig


Quelle: Roland Berger / Müller-Lohmeier (Festo AG)

Konventionell Additiv

Produktionsvorgegebenes Design

Additive vs. Konventionelle Fertigung

Designvorgegebene Produktion

Paradigmenwechsel

• Funktionsintegration • Teilereduzierung • Reduzierter Montageaufwand • Neue Designs, z.B. Leichtbau:

Beispiel: Leichtbau 1 kg Gewichtsersparnis -> 45000 Liter Ersparnis an Kerosin über die Betriebsdauer eines Airbus A380


Prozesskette - Additive Fertigung

12

Post-Processing Bauprozess

Bauprozessvorbereitung

3D-Modell (CAD / 3D Scan,

etc.)

Konvertierung in STL Datei

STL = Standard Tessellation Language

• Orientierung • Stützstruktur • Slicing

Maschinen-vorbereitung

Physische Herstellung

Entnahme des physischen

Modells Nachbearbeitung

Nutzung des physischen

Modells


Technologien

Druck

3D


Fest Flüssig Gasförmig

Draht Pulver Folie

Aufschmelzen und Erstarren

Verfestigen durch Binder

Aufschmelzen und Erstarren

Fused Deposition Modelling (FDM)

Selective Laser Melting (SLM)

3D-Printing (3DP)

Ausschneiden und Fügen

Ausschneiden und

Polymerisiere Solid Foil Poly-merisation (SFP)

Layer Lami-nated Manuf-acturing (LLM)

Klassifizierung der 3D Drucktechnologien

Quelle: Gebhardt 2000 (abgewandelt)

Polymerisieren Chemische Reaktion

Licht einer Frequenz

Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD)

Lampe Laserstrahl Holographie

Solid Ground Curing (SGC)

Stereolitho-graphie (SL)

Holographic Interference Solidification (HIS)

Wärme Licht zweier Frequenzen

Beam Inter-ference Soli-dification (BIS)

Thermal Poly-merisation (TP)

Lampe und Tintenstrahl

Multi-Jet Modeling (MJM)


Fused Deposition Modeling (FDM)

Quelle: http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling

Quelle: www.3ders.org


Fused Deposition Modeling (FDM)

• Große Materialpalette (Kunststoffe – z.B. Thermoplastics ABS, Polycarbonate , niedrigschmelzende Metalle)

• Verdrucken von großen Volumenmengen in kurzer Zeit möglich

• Verwendung unterschiedlicher Materialien durch mehrere Extruder

• Auflösung abhängig von Extrusionsbreite (große Extrusionsbreite -> Hohe Baurate -> geringe Auflösung)

• Düsen neigen zum Verstopfen (Reinigungsmechanismen notwendig)

• Stützkonstruktionen notwendig -> Nachbearbeitung

Vorteile

Nachteile

Quelle: Gebhardt, 2013


Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM)

Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering

Quelle: http://www.axishello.com/index.php/Laser_Sintering.html

• Typische Korngrößen: 20-100µm • Baugeschwindigkeit: 5-20 cm3/h


• Große Materialpalette: Kunststoffe (Polyamide, Polystyrole), Metalle (Stahl-, Aluminium-, Nickel-, Cobalt-,Titan-Legierungen), Metall-Polymerpulver, Sande (Quarzsande, Zirkonsande)

• Erzeugen von mechanisch + thermisch stark belastbaren Teilen möglich

• Hohe Wiederverwendungsrate des thermisch nicht belasteten Pulvers

• Stützkonstruktion bei Metall nötig (Überhänge, Ableiten von thermischer Energie) (bei Kunststoffen nicht notwendig) –> Nachbearbeitung

• Zum Bauteil nicht gehörige Partikel können durch Wärmeleitung an dem Bauteil kleben bleiben (kleine Kanäle schwer zu reinigen)

• Gas-Atmosphäre notwendig um Oxidation zu verhindern -> hohe Betriebskosten

• Pulverbett muss beheizt werden -> zeitintensive Aufheiz und Abkühlvorgänge

• Spannung im Objekt durch hohe Temperaturdifferenzen bei der Fertigung

Vorteile

Nachteile


Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM)


Binder-Jetting (Pulver-Tintenstrahl Druck)

Quelle: http://www.dreams.me.vt.edu


Binder-Jetting (Pulver-Tintenstrahl Druck)

• Materialpalette nahezu unbegrenzt (z.B. Lebensmittel, pharmazeutische Stoffe)

• Verwendung verschiedener Binder -> lokal unterschiedliche mechanisch/optische Eigenschaften

• Große Palette von Bindern (z.B. Wasserbasiert/Kunstharze/ lebende Zellen in Trägerflüssigkeit)

• Gestaltfestes aber nicht endfestes Bauteil (Nachbearbeitung durch Infiltration)

• Metallische Pulver: Binder wird im Postprozessing ausgetrieben + Bauteil im Ofen nachversintert -> Schrumpf

• Druckköpfe teuer + hohes Ausfallrisiko bei vielen Düsen

Vorteile

Nachteile



Stereolithographie (SL)

Quelle: http://www.custompartnet.com/wu/stereolithography

• Typische Schichtdicken: 10-100µm


Stereolithographie (SL)

• Sehr hohe Auflösung (begrenzt durch den Strahldurchmesser – bis in den nm-Bereich)

• Hohlräume möglich mit lediglich sehr kleiner Drainageöffnung

• Objekte übersteigen Bauraumabmessungen -> drucken in Teilen + zusammenkleben mit dem gleichen photosensiblen Material + externer UV-Strahlungsquelle -> mechanische und visuelle Eigenschaften der Trennstellen kaum von den des restlichen Bauteils unterscheidbar

• Kleine Materialpalette (Harze, Acrylate)

• Zweistufiger Prozess: 1. Druck -> 95% Vernetzung 2. Reinigung mit Lösungsmittel

+ vollständige Aushärtung in einer Kamer mit UV-Beleuchtung


Vorteile

Nachteile



Multi Jet Modeling (MJM)

Quelle: http://blog.nus.edu.sg/u0804594/common-rp-techniques/e-polyjet/

Quelle: studiofathom.com


• Mehrere Materialien mit unterschiedlichen mechanischen / optischen Eigenschaften in einem Objekt kombinierbar -> “Digitale Materialien” mit neuen Eigenschaften

• Sehr hohe Auflösung

• Große Bauräume möglich

• Kleine Materialpalette (Photopolymere)


• Druckköpfe teuer + hohes Ausfallrisiko bei vielen Düsen

Vorteile

Nachteile

Multi Jet Modeling (MJM)


Mechanische Eigenschaften


Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften vom Prozess

Selective Laser Sintern Extruder-basiert

Dichte [g/cm3]:

E-Modul [MPa]:

Bruchdehnung [%]:

Zugfestigkeit [MPa]:

Schmelzpunkt [°C]:

Bauteile aus Polyamid

0,91 1,14 1400 1500 30 37 35 78 184-186 184-186

Quelle: Fraunhofer IPK


M A R K T


Marktgröße Weltweit (Wohlers Report 2013) (Umsatz aller Produkte + Dienstleistungen)

Mill

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Zurzeit noch ein Nischenmarkt (Marktgröße 2012: $ 2,2 Milliarden)

Sehr starkes Umsatzwachstum (Ø 2010-2012: 27,4%/p.a.)

Dienstleistungen gewinnen an Bedeutung (Marktgröße 2012: $ 1,2 Milliarden, Marktwachstum 2012: 36,6%)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

2012201120102009200820072006200520042003

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Umsatz nach Branchen (Roland Berger/ Wohlers 2013) (Umsatz aller Produkte + Dienstleistungen)

29

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150

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350

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Consumer Produkte / Elektronik

Automobil Medizin Luft und Raumfahrt

Werkzeugbau Sonstige

Prototyping Produktionswerkzeuge

Prototyping Motorsport

Zahnmedizin (Brücken, Kronen, Zahnspangen) Hörgeräte Implantate

Turbinenteile Leichtbauteile

Gussformen Direct Tooling

Militär, Architektur, Konsum


Objet 14%

Stratasys 39%

Solidscape 4%

3D Systems 18%

EOS 2%

Envisiontec 11%

Beijing Tiertime

2%

Others 10%

Nach Herstellern in 2012

Verkaufte professionelle 3D Drucker (Wohlers 2013)

Aus Region in 2012

Stratasys hat mit Objet und Solidscape fusioniert

Europa 19% Asien

5% Israel 15%

USA 61%


Anwendungen für 3D Druck

31

Präsentationsmodelle

Quelle (Prozentangaben): PTW, TU Darmstadt

Quelle: www.fabbaloo.com

Quelle: 3D Systems

Rapid Prototyping Rapid Manufacturing

17,4%

Funktionsmodelle 19,5%

Werkzeugbau

Quelle: www.ems-usa.com

Quelle: www.asiga.com

26%

Direct Manufacturing 29%


Rapid Manufacturing “Readiness Level”

32

Quelle : Roland Berger

Produktion bei Vollauslastung

Produktion bei Teilauslastung

Fähigkeit einer Pilotlinie demonstriert

Produktion in Produktionsumgebung validiert

Produktionssysteme hergestellt

Grundfähigkeiten beweisen (Produktionsnah)

Technologie im Labor validiert

Machbarkeitsstudie durchgeführt

Produktionskonzept identifiziert

Funktionsprinzip identifiziert

Medizin Werkzeugbau Luft +

Raumfahrt Automobil


• Vergrößerung der Bauräume (-> größere Teile, mehr Teile gleichzeitig)

• Erhöhung der Baugeschwindigkeit + Verbesserung der Auflösung (z.B. SLS/SLM: variabler Laserfokus, mehrere Laser 400W und 1000W)

• Kombination unterschiedlicher Materialien in einem Objekt

• Optimierung der Druckmaterialien (mechanische / optische Eigenschaften, Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands, z.B. lösliches Stützmaterial)

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3D Drucker

Markt

• Anhaltend sehr hohes Wachstum in den nächsten Jahren - Canalys Prognose 2018: $ 16.2 Mrd. (Dienstleistungen $ 10 Mrd.)

• Große Firmen betreten den Markt (HP, Canon)

• Dienstleister werden 3D Druck in den Alltag bringen ( “iTunes” für 3D Modelle)

Ausblick


Dr. Philipp Urban Abteilungsleiter 3D-Drucktechnologie Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD Fraunhoferstr. 5, 64283 Darmstadt Tel.: +49 (0) 6151 155 250 Fax: +49 (0) 6151 155 480 [email protected]

Fragen?

Dank an Herrn Müller-Lohmeier (Festo AG) für seine Folien.

Documents

3D-Druck · 8 • 1987 – Stereolithographie Verfahren (3D Systems - Chuck Hull) • 1991 – Fused Deposition Modeling Verfahren (Stratasys) • 1995 – Erste metallverarbeitende