Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. … · Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser - u. Oberflächentechnik

Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- u. Oberflächentechnik

Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung

Folie 1

Der Oberbegriff Generative Fertigung kennzeichnet neuartige Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, Werkzeugen, Modellen, etc., die durch einen schichtweisen Auftrag (additiv) von Werkstoffen charakterisiert sind.

Dagegen sind klassische Verfahren formgebunden, d.h. Bauteile entstehen durch Umformen (Schmieden, Tiefziehen, etc.) eines Halbzeugs oder durch Gießen in einer klassischen Form. (C. Leyens: Initialkonzept Additiv-Generative Fertigung, Dresden, 2013)

Serienfertigung von Individualbauteilen

Werkzeug- und Prototypfertigung

Musterfertigung und Designänderungen

Reparaturen

Die generativen Fertigungstechnologien sind urformende Verfahren.

Fertigungstechnische Einordnung



Folie 2

Aktuelle gesellschaftliche Herausforderungen an die Fertigungstechnik

Individualisierung von Produkten Dynamik der Produktentwicklung Lebensqualität auch mit steigendem Lebensalter Energieeffizienz und Ressourcenschonung Multifunktionalität von technischen Erzeugnissen



Folie 3

Wirtschaftliche, schnelle und flexible Produktion ohne klassische Formen und Werkzeuge

Multi-Material-Systeme mit integrierter Intelligenz ermöglichen Produkte mit radikal neuen Funktionalitäten und Eigenschaftsprofilen. Individualisierte Einzelstücke und Serienprodukte in hohen Stückzahlen werden in überwiegend virtualisierten Prozessketten entwickelt und hergestellt. Die Produktherstellung erfolgt ausschließlich on-demand und kann sowohl zentral als auch dezentral geschehen. C. Leyens: Initialkonzept Additiv-Generative Fertigung, Dresden, 2013 *) http://www.economist.com/node/21552901

„Dritte industrielle Revolution“ (The Economist *))



Folie 4

Daten-Modell

Konstruktion CAD-Geometriebescheibung STL-Format

Slicen Zerlegen des CAD-Modells in Schichten

Bearbeitetes Daten-Modell

Fertigung Schichtweiser Aufbau des Bauteils

Bauteil

Generative Fertigungsverfahren: grundsätzliche Prozesskette



Folie 5

• SLI–Daten in Prozessrechner einlesen

• Modell auf Bauplattform positionieren

• Prozessparameter festlegen

• Modell sintern

• Nachbearbeitung (Infiltrieren, Dichtsintern)

• STL–Daten in CAD- Rechner einlesen

• Modell im CAD orientieren

• Schichtdicke festlegen

• Modell slicen (SLI-Daten generieren)

Prozessschritte



Folie 6

Stereolithographie (STL) Selektives Laser Schmelzen (SLM)

Laminated Object Manufacturing (LOM)

Laser-Auftragschweißen (LA)

Fused Deposition Modeling (FDM)

Ausgewählte additiv-generative Fertigungsverfahren

3D-Drucken



Folie 7

Funktionsprinzip: Kurzzeit-Flüssigphasensintern von 2-Komponenten-Pulvern

Materialen: Stähle, WC/Co- Hartmetall, W-Cu, Keramik

2.2.1 Metallpulversintern (SLS-M)



Folie 8

Funktionsprinzip: Kurzzeit-Flüssigphasensintern von 2-Komponenten-Pulvern

Materialen: Stähle, WC/Co- Hartmetall, W-Cu, Keramik

2.2.1 Metallpulversintern (SLS-M)



Folie 9

Besonderheiten des Sinterprozesses: Positiver Einfluss: Oberflächenrauheit (Pulverstruktur) Temperaturgradient in der Schicht Negativer Einfluss: kurze Wärmeeinwirkzeit (< 0,1 s) Deponieren von losem Pulver Ergebnis: - geringer Verzug (Tsinter < Tschmelz ) - harte und spröde Materialien verarbeitbar - geringe Sinterdichte (45 - 70 %)

Der Lasersinterprozess



Folie 10

Pulver: gemischt anlegiert beschichtet legiert

Mischung: monomodal bimodal trimodal Größenverhältnis: 1 : 1 6,5 : 1 49 : 6,5 : 1 Füllfaktor 0,74 0,85 0,95

Sinterpulver



Folie 11

Pulverschicht vor dem Sintern

hochschmelzende Komponente

niedrigschmelzende

Restporosität

Pulverschicht nach dem Sintern

Einflussgröße auf Materialtransport-mechanismen:

Benetzung

schlecht gut

Löslichkeit

keine völlige

Prinzip des Flüssigphasen-Sinterns



Folie 12

X38 CrMoV 5.1 Partikelgröße < 63 µm Mischung: 70% Stahl + 30% Cu11Sn

• rel. Sinterdichte 55 ... 70 %

• Formabweichung ≤ 100 µm

• Rauheit Rz < 50 µm

• minimale Wandstärke 1 mm

Lasersintern mehrphasiger Pulvergemische

Gefüge nach dem Lasersintern



Folie 14

Lasergesinterte Formkörper aus Stahl und Keramik

Beispiele: Fraunhofer IWS, Dresden



Folie 15

Funktionsprinzip: Flüssiger Kunststoff (Fotopolymer) wird lokal mit UV-Laser ausgehärtet.

Materialen: Polymerharz, Acrylat

2.1.1 Stereolithographie



Folie 16

y

x

z

Gauß Strahlform

Geometrie einer ausgehärteten Spur nach Überfahrt eines Gauß-Strahles über ein Photopolymer

Gezieltes Aushärten eines flüssigen Polymers durch lokales Einwirken von ultraviolettem (UV) Licht

Soll-Oberfläche

Ist-Oberfläche

Schichtdicke Overcure



Folie 17

Harzoberfläche

Schicht n Schicht n-1

Laserstrahl

Typische Baustrategie



Folie 18

Plattform

flüssiges Photopolymer

Stützstelle

Bauprozess



Folie 19

Plattform


Stützstelle

Bauprozess



Folie 20

Plattform


Stützstelle

Bauprozess



Folie 21

Plattform


Stützstelle

Bauprozess



Folie 22

• UV-Laser

• Scanner

• Optik

• Bauraumbegrenzung

• Recoating System

• Steuerungssoftware

Komponenten einer Stereolithographieanlage



Folie 23

Laser

Scanner

Optik

Bauraumbegrenzung (Schutzgasatmosphäre)

Pulverbett-System

Heizsystem

Steuerungssoftware

Komponenten einer Lasersinteranlage



Folie 24

Ablauf der Datenbearbeitung und Prozeßkette

STL – Daten einlesen

Modell orientieren

Generieren der Stützkonstruktion

Modell slicen - Generieren SLI- Daten

Bauparameter festlegen



Folie 25

Die Bauteile können in einem Folgeprozess nachgehärtet werden, um die maximalen Materialeigenschaften zu erreichen. Außerdem können sie einer Temperatur von 100°C ausgesetzt werden, ohne dass sie ihre Eigenschaften wesentlich verändern.

Schachfiguren Quelle: Envisiontec GmbH

Photopolymerisation durch Maskenprojektion



Folie 26

SLS - Beispiel

Quelle: 3D Systems

Schnelle Fertigung von gebrauchsfertigen Kunststoff-Serienteilen direkt aus 3-D CAD Daten Beispiel: PKW-Armaturenträger



Folie 27

3D Printing

Bildquelle: 3D Systems/Z Corporation



Folie 28

Funktionsprinzip: Lokaler Materialauftrag über Zufuhr thermoplastischer Drähte mit beheizten Extrudierdüsen

Materialen: ABS, PC, Wachs biokompatible Polymere (Chitosan, Hydrogel, Silikon, ...)

2.1.2 Fused Deposition Modelling (FDM) – 3D-Drucken !

Klassische STRATASYS-FDM-Technologie mit thermo-plastischen Drähten als Baumaterial.



Folie 29

Aufge- schmolzenes Material

FDM – Verfahrensprinzip (Stratasys Inc., USA)

ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol



Folie 30

3D-Drucken….Geräte

Fa. Fabbster 1.700,00 €

Fa. konstruktionswerk 3.800,00 €

Bauraum 230 x 230 x 210 mm

Auflösung min. Wandstärke 600 µm min. Schichtstärke 44 µm

Bauraum 185 x 275 x 240 mm

Auflösung 125 x 20 x 500 µm



Folie 31

3D Printing - Beispiele

3D-Produktionsanlage Quelle: 3D Systems

Architekturmodelle Quelle: 3D Systems



Folie 32

3D-Drucken….

Quelle: Modellflieger (2013) 2/3



Folie 33

Plotmedium (Komponente B)

Plotmaterial (Komponente A)

Direkte Herstellung von Biomaterial für das Tissue Engineering (Gewebezüchtung)

3D Gitter (nicht gewebt) mit offener Porosität

FDM-Beispiel: Bioplotter®



Folie 34

Lagenweiser Aufbau des Gesamtvolumens

Intermittierende Schmelzstrategie zum Füllen der Gesamtfläche einer Lage

Vollständig dichte metallische Strukturen

SLM - Verfahrensprinzip

x-y-Scanner Laser

Laser-Fenster Nivelliersystem

Schutz- gas

Bauraum

Pulverbett

Laserstrahl ∅ 30 µm = 0,03 mm

SLM Bauteil

Absenkbare Arbeitsplattform

Quelle:

Quelle:Fraunhofer ILT

Laserstrahl

umgeschmolzeneSchicht

Schmelzbad

Bewegungsrichtungdes Laserstrahls

Pulverschicht



Folie 35

SLM- Verfahrensmerkmale

Verwendung von metallischen Serienwerkstoffen

Im Unterschied zum Laser-Sintern: vollständiges Aufschmelzen des Pulverwerkstoffes

Erzeugung nahezu 100% dichter Metallstrukturen mit feinkristallinem Gußgefüge

Laserstrahl

umgeschmolzeneSchicht

Schmelzbad

Bewegungsrichtungdes Laserstrahls

Pulverschicht



Folie 36

SLM - Formenbau

Serienwerkzeug für Kunststoff-Spritzguß in Hybrid-Bauweise Quelle: Concept Laser GmbH

Kompelxes, konturangepaßtes Kühlsystem Quelle: Concept Laser GmbH

SLM - generiert

CNC-gefräst



Folie 37

Verfahrensprinzip 2,5D und 3D Multilagen-Auftragschweißen ohne Pulverbett

Schichtweiser Volumenaufbau direkt aus 3D-CAD-Daten mittels bauteil- und eigenschafts-optimierter Schweißstrategie Materialien (Pulver und Draht) Titan und Titanlegierungen Nickelbasis-Legierungen Kobaltbasis-Legierungen Stähle

2.2.4 Generatives Laser-Auftragschweißen (LA)



Folie 38

Multilagen-Auftragschweißen nach speziellen Schweißstrategien

Konturfahrt – Flächenfüllung (x-y)

Schichtweiser z-Versatz

Generatives Laser-Auftragschweißen: Prinzip



Folie 39

LA - Beispiele

Generieren von metallischen 3D-Strukturen aus einer CoCr-Legierung auf Gusseisen zur schnellen Designänderung von Umformwerkzeugen in der Karosseriefertigung Quelle: Fraunhofer IWS



Folie 40

Anwendung des generativen Laser-Auftragschweißens in der Triebwerksinstandsetzug

O,5 mm

Mikrostruktur und CT-Prüfung von lasergenerierten Ti6242-Probe-Schaufeln

Reparatur von Kompressor-Blisks aus Ti6242 - Mikrostruktur

Ti6242 ist eine nahezu α-Ti-Legierung mit gegenüber Ti6-4 erhöhter Festigkeit bei hohen Temperaturen. Wichtiges Einsatzgebiet sind die Hochdruck-Kompressoren.

Quelle: DLR



Folie 41

Metallischer Kantenschutz von Fan-Schaufeln aus Faser-Verbundwerkstoffen

Leichtbau

Verringerung der Fertigungszeit gegenüber Fräsen aus dem Vollen

Anwendung des generativen Laser-Auftragschweißens zur Bauteilfertigung

[Quelle: GE]

Direkte generative Fertigung einer Metal Leading Edge (MLE) aus TiAl6V4



Folie 42

EBM - Besonderheiten Das Elektronenstrahlschmelzen, Electron Beam Melting EBM, stellt eine Alternative zu den lasergestützten Verfahren dar. Im wesentlichen wird der Laser durch einen Elektronenstrahl ersetzt. Der Bauraum der Maschine wird auf etwa 1000°C aufgeheizt und mit einem Vakuum versehen. Dies, der bessere Wirkungsgrad des Elektronenstrahles, die höheren Bauraten und das größere Werkstoffspektrum sind die wesentlichen Vorteile, die den höheren Kosten entgegenstehen. Quelle: ARCAM



Folie 43

EBM-Anlagen zum direkten Fertigen von Einzelteilen für Luft- und Raumfahrt-Anwendungen sowie medizinischen Implantaten

Bauraum: 350x350x300 mm

Schichtdicke: 50…200 µm

Bauteilgenauigkeit: +/- 0,3 mm

Datenformat: Standard STL

EBM - Anlage

Quelle: ARCAM



Folie 44

Demonstrator einer 650mm-TiAl6V4- MLE mit Original-Profil

Wandstärke ca. 1,5 mm

Online-geregelter Bauprozess

Bauzeit: 8 Stunden

Anwendung des generativen Laser-Auftragschweißens zur Bauteilfertigung



Folie 45

LA - Beispiele (LENS®)

Titan-Blisk Quelle: Optomec

Titan-Implantat Quelle: Optomec

Generieren eines Formeneinsatzes aus Stahl Quelle: Optomec



Folie 46

LPA/ LDA

SLM/ EBM

Reparatur Modifikation Fertigung

Direkte Fertigung funktionaler Individualbauteile

Werkzeuge Bauteile

Quelle: ARCAM Quelle: CONCEPT Laser

Quelle: IWS Quelle: IWS Quelle: IWS



Folie 47

Medizinische Implantate, Titan Quelle: ARCAM

Flugtriebwerkskomponenten, Titan Quelle: ARCAM

Massives Flanschbauteil, Edelstahl Quelle: ARCAM

Pulverbettverfahren EBM: Beispiele



Folie 48

Anwendung EBM bei der Fertigung medizinischer Implantate

Quelle: ARCAM

Quelle: ARCAM

Beispiel: Hüftpfannen-Implantat

Werkstoff: TiAl6V4 EBM + HIP

Vorteile: - individualisierte Fertigung des Implantats, - Gitterstruktur für verbesserte Haftung am Knochen, konventionell nicht herstellbar

1. Implantation im Januar 2008



Folie 49

Metal LAminated TOoling - Prozesskette



Folie 50

MELATO®-Prägewerkzeug für Abschirmteile



Folie 51

Kühl- und Temperierkanäle in Spritzguss-Werzeugen Gezielte Temperierung durch Anpassung der Kühlkanäle an die Werkzeugkontur kürzere Zykluszeit und eine geringere thermische Werkzeugbeanspruchung gleichmäßigere Abkühlung der Schmelze und

bessere Verteilung der Schrumpfspannungen

MELATO®- Spritzgusswerkzeuge



Folie 52

• durchgängige Automatisierung der Prozesskette

• Werkzeugfertigung und -erprobung

Doppelstempel zum Tiefziehen einer PKW-C-Säule

Fertigung von Großwerkzeugen mit der MELATO®-Prozesskette



Folie 53

Fertigung von Großwerkzeugen mit der MELATO®-Prozesskette



Folie 54

Endbearbeitung von LOM-Modellen

Ein LOM-Modell während des Freilegens. Anschließend wird es versiegelt oder mit Epoxidharz infiltriert und geschliffen. Quelle: raprotec GmbH

1 2 3

4



Folie 55

Verwendung von LOM-Modellen:

Schuhsohle Quelle: raprotec GmbH

Konzept- und Anschauungs-Modelle

Negative für Abformverfahren

Urmodelle für Folgeverfahren

LOM-Formen für Gipsteile (Keramikindustrie) Quelle: raprotec GmbH

Zylinderkopfhaube LOM-Modell, Silikonform, PU-Abguss Quelle: raprotec GmbH



Folie 56

Herstellung großer, massiver Geometrie- und Funktionsmodelle. Formen und Werkzeuge können anschließend indirekt über Abformprozesse hergestellt werden. Quelle: TEDATA GmbH

Verwendung von LOM-Modellen

Helisys LOM 2030E



Folie 57

LOM-Maschinen

Helisys (USA) LOM 2030E Rapid Prototype Machine

Bauteile mit max. Abmessungen von 800 mm L x 550 mm B x 500 mm H

Mcor technologies (Irland)

Matrix300

277 x 190 x 150 mm max. Teilegröße (DIN A4)

Lagendicke/Auflösung 0,1 mm

Preis 2011: 25.000,00 €

Documents

Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. … · Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser - u. Oberflächentechnik