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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
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Agenda
Teil I Inspire AG - icams
Teil II Additive Fertigung in Metall
Teil III Materialien für additive Fertigung
Teil IV Entwicklungsthemen
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Teil I
Inspire AG
-
Innovation centre for additive manufacturing, Switzerland
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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
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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?
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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)
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Teil II
Additive Fertigung in Metall
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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
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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
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… 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
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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
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Teil III
Materialien
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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.
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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
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Fahrzeug-Strukturteile in Leichtbau
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
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Fahrzeug-Strukturteile in Leichtbau
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
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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
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Teil IV
Entwicklungs-Themen
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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
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… 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»
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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
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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.
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Schlussfolgerungen
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… 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
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A.B. Spierings Head R&D SLM
Lerchenfeldstrasse 5
9014 St.Gallen
[email protected] +41 71 274 73 19 www.inspire.ethz.ch