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Vom Material zur Produktinnovation Innovation Center Additive Manufacturing Innovation und Nachhaltigkeit in der digitalen Prozesskette we.engineer.future Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

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Vom Material zur Produktinnovation

Innovation Center Additive ManufacturingInnovation und Nachhaltigkeit in der digitalen Prozesskette

we.engineer.future

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

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2018-10-09 | TU Darmstadt | ICAM - Innovation Center Additive Manufacturing | 2

Additive Fertigung

Definition:Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element- oder schichtweise aufgebaut wird (VDI 3405).

Anforderungsabhängige Einteilung:

Rapid Prototyping: Additive Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität

Rapid Tooling: Additive Methoden und Verfahren zum Bau von Werkzeugen und Formen

Additive Manufacturing: Additive Herstellung von Endprodukten

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Inhalt

• Chancen und Potenziale der Additiven Fertigung

• Hürden und Markteintrittsbarrieren

• ICAM – das Technologietransferzentrum für den Bereich digitale Prozesskette und Additive Fertigung an der TU Darmstadt

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Potenziale der Additiven FertigungFunktionsintegration

Quelle: Leutenecker-Twelsiek, 2018

Die Additive Fertigung bietet Gestaltungsfreiheiten, um die Anzahl von Subkomponenten zu reduzieren und/oder neue bzw. zusätzliche Funktionen in ein Bauteil zu integrieren

Beispiel: Reduzierung der Anzahl an Subkomponenten führt zu geringerem Montageaufwand und zu einer kompakteren Bauweise

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Beispielanwendung: HydrodehnspannfutterBi

ldqu

elle

: Map

al

Eine Baugruppe aus zwei verlöteten Einzelteilen kann durch die additive Fertigung in einem Schritt gefertigt werden.

Die Schwachstelle (Lötverbindung) fällt weg wodurch höhere Kräfte und Momente bei kleinerem Bauteilvolumen übertragen werden können

Nach dem BauprozessNach dem Bauprozess Finales ProduktFinales Produkt

Quelle: Abele, 2016

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Potenziale der Additiven FertigungSteigerung der Performanz

Bild: Schmelzle

Beispiel: Optimierte Kanalführung am Hydraulikventil führt zu einer Reduktion der Strömungsverluste

Die Additive Fertigung erlaubt eine funktionsoptimierte Gestaltung von Bauteilen, die Restriktionen konventioneller Fertigungsverfahren überkommt.

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Beispielanwendung Werkzeug und Formenbau

Additive Fertigung von Werkzeugeinsätzen

Bild

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le: I

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a(h

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w)

Integration von Kühlkanälen in Werkzeugeinsätze

Erhöhte Gestaltungsfreiheit bei Kühlkanälen (insb. konturnahe Führung)

Realisierung einer gezielten Temperaturführung im Werkzeug (auch thermische Differenzierung): Vermeidung von Hot Spots, gleichmäßige und schnelle Ablühlung

Vorteile: Reduzierung der Zykluszeit, verbesserte Qualität (verringerter Verzug, bessere Oberfläche)

Anwendungsbeispiele: Kunststoffspritzgieß-werkzeuge, Metall-Druckguss

Quelle: Abele, 2016

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Potenziale der Additiven FertigungLeichtbau

Durch eine lastpfadoptimierte Gestaltung der Bauteilgeometrie erlaubt die additive Fertigung eine Reduzierung von Bauteilmassen bei gleicher Steifigkeit bzw. Tragfähigkeit

Quelle: Airbus

Beispiel: Topologieoptimiertes Türschanier mit Reduzierung des Materialverbrauchs um 75%

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Potenziale der Additiven FertigungIndividualisierung

Die Losgrößenunabhängigkeit der additiven Fertigung erlaubt es, Bauteile in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen bzw. Bauteile zu fertigen, bei denen sich durch eine Varianten-Differenzierung ein Mehrwert schaffen lässt.

Quelle: Rüfnacht AG

Beispiel: Auf das Fördergut individuell angepasster Fördertopf

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Weitere Möglichkeiten durch AMBeispiel Medical

Bild

quel

le: W

ithin

lab Verbesserung des Knocheneinwachsverhaltens (Osseointegration) durch poröse

Oberfläche / Möglichkeit gradierte Porositätseigenschaften umzusetzen Anpassung der mechanischen Eigenschaften (E-Modul) an Knochenmaterial zur

Vermeidung von „stress shilding“ (Knochenabbau)Quelle: Abele, 2016

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Chancen der additiven FertigungEinzigartiges Werkstoffverhalten

Additive Fertigungsverfahren bieten Möglichkeiten, Werkstoffsysteme in einem bisher nicht vorhandenem Maß den Anforderungen eines Bauteils anzupassen

Die Additive Fertigung erlaubt faktisch die Entwicklung völlig neuer Werkstoffklassen

Murr et.al., 2014

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Drucken von FunktionswerkstoffenPotentiale für Gestaltung und Materialauswahl

Selective laser melting of La(Fe,Co,Si)13geometries for magnetic refrigeration, Gutfleisch et al. J. Appl. Phys. 114 (2013) 043907

Drucken von Werkstoffen mit gezielten funktionalen Eigenschaften

Bauteilintegrierte Sensorik durch die additive Fertigung

Eingebettete ThermoelementeOechsner, 2007

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Additive FertigungMarkteintrittsbarrieren

Trotz der vielen Chancen und Potenziale durch die additive Fertigung herrschen heute noch eine Reihe von Hürden und Fragestellungen

1. Hohe Produktionskosten2. Mangelndes Verständnis über die Zuverlässigkeit von AM-Bauteilen und

AM-Prozessketten3. Mangelnde Expertise in „Design for AM“4. Eingeschränkte Materialauswahl5. Hohe Investitionskosten in neue Prozesskette

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Wirtschaftlichkeit AMAufgabenbezogene Analyse ist notwendig

Losgröße

Kost

en p

ro T

eil

Additiv

Konventionell

Keine Mehrkosten durch Individualisierung

KomplexitätKo

sten

pro

Tei

l

Additiv

Konventionell

Keine Mehrkosten durch höhere Komplexität

„individualization for free“ „complexity for free“

Quelle: Abele, 2016

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Prozesskette Selektives Laserschmelzen

Fertiges Produkt

CAD Design Slicing

BauprozessNachbearbeitung

Support Generation /CAM Operationen

In jedem Schritt der Prozesskette fallen Fertigungskosten an

Quelle: Abele, 2016

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Prozesskette Selektives Laserschmelzen

Fertiges Produkt

CAD Design Slicing

BauprozessNachbearbeitung

Support Generation /CAM Operationen

Verständnis der gesamten Prozesskette ist essentiell

Quelle: Abele, 2016

Einmalige Kosten für die Arbeitsvorbereitung. Diese fallen nur einmal an und sind unabhängig von der Teileanzahl.

Herstellungskosten, die abhängig von der Anzahl der produzierten Teile und deren Geometrie sind.

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Additive FertigungMarkteintrittsbarrieren

Trotz der vielen Chancen und Potenziale durch die additive Fertigung herrschen heute noch eine Reihe von Hürden und Fragestellungen

1. Hohe Produktionskosten2. Mangelndes Verständnis über die Zuverlässigkeit von AM-Bauteilen und

AM-Prozessketten3. Mangelnde Expertise in „Design for AM“4. Eingeschränkte Materialauswahl5. Hohe Investitionskosten in neue Prozesskette

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Herausforderungen beim additiven FertigenWerkstoffe

Schnelle Aufheiz- und Abkühlgradienten (T ≳ 103 – 105 K/s) Phasentransformationen Übersaturierte Phasen Segregationen Heißrissbildung Eigenspannungen

Gerichteter Wärmeeintrag Texturierte Kornbildung Anisotropie der Eigenschaften

Wiederholte Aufheiz- und Abkühlzyklen Wiederholte Phasenumwandlungen Thermische Eigenspannungen Thermische Ermüdung (Rissbildung, ...)

Tem

pera

tur

Zeit

L

Tem

pera

tur

Konzentration

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Mechanische EigenschaftenBauteilverhalten abhängig von Baurichtung

Einfluss der Aufbaurichtung auf Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften: • Streckung der Körner in Auftragsrichtung• Geringste Festigkeit in Auftragsrichtung

Aufbaurichtung

Beispiel IN617

Quelle: BadgeB

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Prozess - EigenschaftsbeziehungVariation der Werkstoffeigenschaften

Index B

Inde

x A

v

h

I

1

Eige

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aft(e

n)

2 3

Prozessparameter Mikrostruktur Werkstoffeigenschaft

3

21

3

2

1

Symbolbild

Modellierung Wirkmechanismen

Prädiktives Design

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Additive FertigungMarkteintrittsbarrieren

Trotz der vielen Chancen und Potenziale durch die additive Fertigung herrschen heute noch eine Reihe von Hürden und Fragestellungen

1. Hohe Produktionskosten2. Mangelndes Verständnis über die Zuverlässigkeit von AM-Bauteilen und

AM-Prozessketten3. Mangelnde Expertise in „Design for AM“4. Eingeschränkte Materialauswahl5. Hohe Investitionskosten in neue Prozesskette

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Design for Additive Manufacturing

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nach Tang, 2016

Bisher unzureichendes Verständnis über konstruktive Richtlinien in Bezug auf ein fertigungsgerechtes Konstruieren additiv zu fertigender Bauteile.

Initiales

Mikrozelle

Initiales Design der Mikrozelle

Optimierung der Topologie

Ziele und

ungen

Ziele und Randbeding-

ungen

Modell-Homogenisierung

Optimiertes

Design

Optimiertes Mikrozellen-

Design

Optimierungsprozess

Potenziale der additiven Fertigung bleiben ungenutzt, der Handlungsspielraum und somit die Wirtschaftlichkeit der Technologie sind stark eingeschränkt.

Bild: Altair

Tang, 2016

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Ein weiterer Aspekt: Ausbildung & Know-How

→ Schaffung von Ausbildungsmöglichkeiten und besserem Lehrangebot für die Digitale Prozesskette und die Additive Fertigung

→ Transparentes Angebot von Workshops & Schulungen für Unternehmen und Ausbilder/Gewerbelehrer

Stefanie Brickwede, DB-Projektleiterin für den 3D-Druck

„Die Bediener unserer 3D-Drucker sind fast ausschließlich promovierte Ingenieure“

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Unser Beitrag: ICAMInnovation Center Additive Manufacturing

Ziele von ICAM sind,

① die vorhandenen Kompetenz an der TU Darmstadt zu den Themen Additive Manufacturing (AM) / Digitale Prozesskette zusammen zu führen und auszubauen

② eine Infrastruktur für den Technologietransfer und die Weiterbildung auf dem Gebiet der Additive Fertigung sowie der Digitalisierung des Produktlebenszyklus in einem Gebäude zur Verfügung zu stellen

③ einen national und international sichtbaren Leuchtturm zu schaffen, der Unternehmen in den Bereichen der Additiven Fertigung und der Digitalen Prozesskette Möglichkeiten gemeinschaftlicher Entwicklungsprojekte in einer durchgängig digitalen Prozesskette in der additiven Fertigung bietet

An der TU Darmstadt ist der Aufbau eine Innovation Centers Additive Manufacturing geplant, um die genannten Hürden abzubauen und den Markteintritt zu erleichtern

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ICAMAbbildung einer digitalen AM-Produktionskette

Produktions-PlanungWerkstoff RecyclingCharakterisierung /

QualitätssicherungHerstellungKonstruktion

Herausforderung „Additive Manufacturing“• Zuverlässige, robuste digitale Prozessketten• Zuverlässige, bemessbare Produkte• Produktlebenszyklus mit vorteilhafter Ökobilanz

IWKS

IGD

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VisionEin Kompetenzzentrum des digitalen Maschinenbaus an der TU Darmstadt

Digitale Prozesskette

AdditiveFertigung

ReliabilityAnalyticsFo

rsch

ung

Lehr

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Nac

hwuc

hsfö

rder

ung

Koop

erat

ion

Gemeinsame Infrastruktur: Medien, IT, Sicherheitsausrüstung, Prüftechnik etc… LBF | IGD | IWKS

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ICAM als Säule eines ForschungskonzeptsBetriebsfestigkeit im digitalen Zeitalter

Aufbau des international sichtbaren Transferzentrums „Additive Manufacturing“• Entwicklung einer durchgängig

digitalen Prozesskette• Zusammenführung der heute

verteilten AM-Ressourcen in einem Gebäude

• Partnerschaftliche Entwicklung & Technologietransfer

ICAM – Innovation Center Additive Manufacturing

Entwicklung von Werkzeugen & Methoden zur Zuverlässigkeits-prognose• Digitaler Zwilling• AM-Bauteile mit sensorischen

Eigenschaften• Prädiktive Zuverlässigkeit &

erkenntnisbasiertes Design• LCA & Nachhaltigkeit

Zuverlässigkeit in der AdditivenFertigung

Zuverlässigkeit durch die AdditiveFertigung

LOEWE-Zentrum„Reliability Analytics“

Infrastruktur für interdisziplinäres Forschungszentrum• Entwicklung neuer

Prüfmethoden• Digitale Werkstoff- und

Bauteilanalytik• Algorithmen und Modelle der

Bauteilbewertung• Forschungsdaten-

management

Forschungsbau„Center for Reliability Analytics“

Zuverlässigkeit im digitalisierten Maschinenbau

Produktions-PlanungWerkstoff RecyclingCharakterisierung /

QualitätssicherungHerstellungKonstruktion

IWKS

IGD

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Beispiel ETA-Fabrik

Abbildung der Prozesskette

Interdisziplinäre Energieeffizienzforschung an einer realen Produktionsprozesskette in einem innovativen Produktionsgebäude

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Forschungsbau auf der LichtwieseBiosphäre für interdisziplinäre Forschung

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Zusammenfassung

• Additive Fertigungsverfahren bieten viele Chancen und Potenziale für wettbewerbsfähige innovative Produkte

• Um diese Potenziale kommerziell nutzen zu können, müssen eine Reihe von Hürden überwunden und Hinternisse abgebaut werden

• Mit dem Innovation Center Additive Manufacturing entsteht an der TU Darmstadt ein Zentrum für den Technologie- und Wissenstransfer mit dem Ziel, Unternehmen den Zugang zu einer durchgängigen digitalen Prozesskette und einer additiven Fertigungsumgebung zu erleichtern und dadurch die Implementierung des digitalen Maschinenbaus sowie der additiven Fertigung in die Praxis zu beschleunigen

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Stell Dir eine Welt vor, in der wir unsere Bauteile wirklich verstehenICAM – Innovation Center Additive Manufacturing

we.engineer.future

Interesse?

Prof. Dr.-Ing.

Matthias OechsnerZentrum für KonstruktionswerkstoffeTechnische Universität Darmstadt

[email protected]

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Selektives LaserschmelzenVariation der Mikrostruktur

5 µm

Wachstumsrichtung

0,5 mmProbenhöhe: 5 mm

Simonelli et.al, 2014

Ti6Al4V

: -Phase; : -Phase

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Variation der Werkstoffeigenschaften

300

350

400

450

500

550

600

650

700

0 1 2 3 4 5 6

Här

te [H

V]

Probenhöhe [mm]

Referenzwert Schmiedeteil

Simonelli et.al., 2014

Beispiel: Ti 6Al 4 V