3D-Druck Additive Fertigung in der Automobilindustrie - IWF ......Für Struktur-Anwendungen –In Anwendungen wie… – Automobil-Industrie – Flugzeugbau / Raumfahrt – Sportgeräte

Spierings, Adriaan © 10/2015 inspire AG 1

Additive Fertigung in der Automobilindustrie

Additive Fertigung in Metall –

zukünftige Entwicklungsfelder und „neue“ Materialien

A.B. Spierings Head R&D SLM

Inspire AG – innovation centre for additive manufacturing , Switzerland (icams)

3D-Druck


Agenda

Teil I Inspire AG - icams

Teil II Additive Fertigung in Metall

Teil III Materialien für additive Fertigung

Teil IV Entwicklungsthemen


Teil I

Inspire AG

-

Innovation centre for additive manufacturing, Switzerland


Wer ist inspire?

INSPIRE

inspire ist

• ein hochschulnahes Kompetenz-Zentrum für die

Schweizer Maschinenindustrie,

• betreibt Forschung für die Industrie und löst

Probleme in allen Wissensgebieten.

• eine gemeinsame Initiative von Swissmem, der

Eidg. Technischen Hochschule Zürich (ETH) und

des Bundesamtes für Berufsbildung und

Technologie (BBT).

Strategischer Partner

der ETHZ

www.inspire.ch


Aktivitätsfelder / institute - Iwf-processes: Grinding, Cutting, EDM, …

- Iwf-machines: Process- und Machine development

- Iwf-micromachining: Laser- & mikrofabrication

- Icams: Additive Manufacturing (SLS, SLM)

- Ipdz: Design for AM & CAD

- Ics: Composite-Structures

- Icmi: Material integrity

- Ifa: Energy

- Ivp: Virtual production / sheet metal forming

ETH Zurich

Technopark Zurich, Headquaters

Gebäude Empa St.Gallen, icams

Wer ist inspire?


F&E Fokus im Bereich SLM

Materialien

• Pulver-Anforderungen

• Materialien für additive Fertigung • Hybride Materialien

• Optimierte Legierungen

• Material Charakterisierung • Mikrostruktur

• Mechanische Eigenschaften

• ……

AM-Prozesse

• Prozessfenster & Material- qualifizierung

• Prozess Simulation • Spannungen

• Prozess-Effekte

• Prozessierfähigkeit von Materialien

• Produktivität

Anwendungen

• «Design for AM»

• Leichtbau-Strukturen

• Strukturell optimierte Bauteile / Topologie-Optimierung

• Vor-Serien Entwicklung

Anlagentechnik

• Maschinen-Konzepte & Optimierung von Teilprozessen

• QS-Methoden für AM-Prozesse

Standardisation (ASTM-ISO, VDI)


Teil II

Additive Fertigung in Metall


Industrielle additive Fertigungstechnologien

Selective Laser Melting (SLM) & -Sintering (SLS)

– Energiequelle Laser

– Verfahren Pulverbett

– SLM Metalle

– SLS Kunststoffe

(v.a. Basis PA12, PP)

Vorteile • Kleine und mittelgrosse

Teile

• Sehr hohe Teile-

Komplexität

• Hohe Material-Vielfalt

Nachteile • Keine Grossteile

• Eher geringe Produktivität

source:

inspire

source: ISO-17296


Chancen in der Nutzung additiver Fertigung

AM-Optimierte

Legierungen

Hybrid-Materialien

Neue Produktions-

alternativen

Neue Business-

Cases

Customizing

Design for AM

Optimierte Funktionalität

- Leichtbau

- Strömungskanäle

- …

«Complexity for free»

source: inspire


… Materialien für praktisch alle Branchen

Anwendungsbereiche & Branchen

Neue Materialien für SLM - Hybrid-Materialien / MMC, …

Gold, Silber, Bronze

div. Legierungen

Aluminium

AlSi12, AlSi10Mg, Struktur-Legierungen

Titan • Ti6Al4V, Ti-Grade 2, …

Ni-Basis

IN738, IN718, IN625, H230,…

Fe-Basis

1.4404 / 1.4509 / 1.4542, 1.2709, u.v.m.

Entwicklung neuer, auf den SLM-

Prozess abgestimmte Materialien

Leichtbau / Fahrzeug- /

Flugzeugtechnik / Space

Maschinenbau, Fahrzeugbau,

Medizinaltechnik

Medizinaltechnik, Space

Turbinenbau

Schmuck


Direkte Fertigung von Bauteilen

AM in der Automobil-Industrie

Serien- fertigung

Kleinserien-fertigung

Prototypen-fertigung in Entwicklung

• Modelle

• Einzelteile

• Tool-less & Rapid

• Kleine Serien

• Customizing

• Concept Cars

• Sonder-Anfertigungen

• Motorsport

• Case:

«Bentley» / RollsRoyce

• Kleine- / mittlere Serien

• High-added-value parts

• Customizing

Anforderungen

an Materialien & Prozesse

Materialeigenschaften

Prozess-Stabilität

Produktivität

Materialeigen-

schaften

Prozess-Stabilität

Materialien


Teil III

Materialien


Stähle

– Beispiel 1.4509

– Grosse Vielfalt an div. Legierungen

– 1.4313 - 1.4034

– 1.4404 - 1.4542

– …

– In vielen Fällen sehr gute Eigenschaftsprofile

Fahrzeug-Strukturteile

source: inspire & BMW

Materialien

ABER

Nicht alle wünschenswerten

Legierungen sind zuverlässig

verarbeitbar.


Typische Al-Guss- / Knetlegierungen

– AlSi12 (44xxx) – Eutekische Legierung

– Hoher Warmrissbeständigkeit

– Hohe chemische Beständigkeit

– AlSi10Mg (43xxx) – Naheutekische Legierung

– Gute Warmrissbeständigkeit

– Hohe chemische Beständigkeit

– Aushärtbar

Eigenschaften durchaus

Vergleichbar mit / besser

als Standard-Material

Fahrzeug-Strukturteile in Leichtbau

source: Buchbinder, D., et.al; Selective Laser Melting of Aluminium

Die-Cast Alloy; DDMC 2014. Demmer, A.: Berlin, Germany. 2014. p. 6

Typische Eigenschaften von AlSi12 – Vergleich additiver Fertigung (SLM) mit konventioneller Fertigung

Gehäuse

Kolben

…

Zylinder-

köpfe,

Kolben

…

Materialien



Für Struktur-Anwendungen

– In Anwendungen wie…

– Automobil-Industrie

– Flugzeugbau / Raumfahrt

– Sportgeräte

– Anforderungen

– Hohe Festigkeit Rm

– Hohe Streckgrenze RP0.2

– Hohe Duktilität / Bruchdehnung

– Hohe Temperaturstabilität

– Gute Korrosionseigenschaften

– Beispiele:

– Al-6061

– Al-7050 / -75

Für additive Fertigung - Al-6061 by Morris Technology (heute GE)

- Scalmalloy (by Airbus)

Materialien

Nutzung der spez. Prozess-Möglichkeiten von AM



Eigenschafts-Profil Scalmalloy (additiv verarbeitet)

– Al-Mg4.5 Sc0.66 Zr0.37 Si0.17

– Aushärtbar

– Gute SLM-Prozessfenster

– Dichte 99.5% ohne HIP

– Dichte 100% nach HIP

– Mechanische Eigenschaften

– Ohne HIP _ ausgehärtet

– Rm > 480 MPa

– RP0.2 > 445 MPa

– E-Modul = 70 GPa

– Bruchdehnung 10%

– Sehr wenig Anisotropie (< 1%) betr. Aufbaurichtung

Hervorragende Ausgangslage für Strukturanwendungen

Source: inspire-icams

Materialien

AlSi10Mg

Rp - AlSi10Mg


Neue Material-Optionen mit SLM

Beispiel: Metall-Diamant-Composite

– Einbindung von Diamantpartikel

in eine metallische Matrix

– Gute Abrasionseigenschaften

– Hohe Wärmeleit-

fähigkeit

Materialien

Metall-Diamant Hybridwerkstoff

Source: inspire-icams

Spierings, A.B., et.al; Processing of metal-diamond-composites using selective laser melting. 2015,

Rapid Prototyping Journal, 21(2): p. 130-136.

Design von Material-

eigenschaften

Neue Anwendungs-

felder


Teil IV

Entwicklungs-Themen


Grosses Potential, auch für die Automobil-Industrie… ABER

Etliche Entwicklungsfelder stehen nach wie vor offen…

– Keine «Prototypen-Anlagen», sondern echte Produktionsanlagen

– Prozesskontrolle / Qualitätssicherung (Prozess-Stabilität & -Fähigkeit)

– Automatisierung der gesamten Prozesskette

– Anwendungs-spezifische Anlagenkonzepte /

Hybrid-Fertigung: «additiv & konventionell»

– Höhere Produktivität

– Fertigung von Grossteilen

– Standardisierung

Additive Fertigung heute…

DMG-Mori: Lasertec 65


… Ein Muss für Automobil-Industrie, Turbinen-Anwendungen, Space /

Aerospace…

– denn: «Welches Prozessfähigkeit cpK kann z.B. SLM bieten?

Haben wir ein cpK < 1.0 ?

= 1.0 3 Prozess ?

= 1.3 4 Prozess ? …oder gar mehr?

Entwicklungsfelder Qualitätssicherung

Messgrössen

- Partikelgrössen-Verteilung

- Pulver-Fliessfähigkeit

- Melt-pool monitoring

- Dichteverlauf über den Baujob

- Prozess-parameter

- …?

Durchgängiges

«QS-System-4-AM»


Beispiel

– 7 x 2 = 14 Stichproben, SLM-AlSi12

Messung der Dichte

– cpK = cpKu 0.328 < 1.0

– -Level 1.0

Entwicklungsfelder

Ok, das ist etwas wenig

für eine Statistik…

Qualitätssicherung

Der Prozess ist soweit stabil…

X_quer – R Chart


Gross-Teile

Internationales Projekt

– Dimensionen: bis 5m Abmessung

– Masse: bis 300 – 400kg

– Umfang 20 Mio. €

Entwicklungsfelder Fertigung grösserer Teile

Wire-feed AM

Source: Cranfield Univ.


Schlussfolgerungen


… aber

• bietet sehr viele Optionen für viele

Branchen, insb. auch für die

Automobil-Industrie

• Qualitätssicherung (Prozessstabilität

und -Fähigkeit) ist ein Muss

• ist heute industrie-tauglich • Wir sind erst am Anfang – viele

Entwicklungsthemen stehen an.

• Standardisierung

• bietet eine grosse Materialvielfalt,

inkl. Optionen für «neue»

Materialien

• «Materials for AM» – Legierungs-

Variationen & -Anpassungen an den

AM-Prozess sind fallweise

notwendig.

Additive Fertigung…

Zusammenfassung


A.B. Spierings Head R&D SLM

Lerchenfeldstrasse 5

9014 St.Gallen

[email protected] +41 71 274 73 19 www.inspire.ethz.ch

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