Herausforderungen des 3D-Druckens für den industriellen ... · Herausforderungen des 3D-Druckens...

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Herausforderungen des 3D-Druckens für den industriellen Einsatz - Status & Ausblick

Dr. Jan T. SehrtProf. Gerd WittAndreas WegnerTobias Grimm

Essen, 15. September 201420. ComIn Talk

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Agenda

• Einführung in die additive Fertigungstechnik

• Aktueller Hype / Visionen / Erwartungen

• Möglichkeiten und Grenzen

• (R)Evolution der Produktion!?

• Forschungsfelder am RTC der Uni DuE


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Einteilung der additiven Fertigungsverfahren

Ex-Kurs: „3D Druck“ ≠ 3D Druck

Laser-SinternLaser-Sintern

Laser-StrahlschmelzenLaser-Strahlschmelzen

Fused Layer ModellingFused Layer Modelling

Multi-Jet ModelingMulti-Jet Modeling Poly-Jet ModelingPoly-Jet Modeling

Layer Laminated ManufacturingLayer Laminated Manufacturing

3D-Printing3D-Printing

Digital Light ProcessingDigital Light Processing

StereolithographieStereolithographie

[Z-Corporation][Sintermask]

Elektronen-StrahlschmelzenElektronen-Strahlschmelzen


Thermotransfer-SinternThermotransfer-Sintern

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Definition:

Fertigungsverfahren, bei dem das Werkstück element- oder schichtweise aufgebaut wird. (VDI 3404)

Anforderungsabhängige Einteilung:

Additive Fertigungsverfahren

Generative Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter

Funktionalität

Generative Methoden und Verfahren zum Bau von

Werkzeugen und Formen

Generative Herstellung von Endprodukten (häufig für den

“Serieneinsatz”)

[protocam.com]

Rapid ManufacturingRapid Prototyping Rapid Tooling


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Verfahrensprinzip am Bsp. Laser-Strahl-schmelzen

Laser

Umlenkspiegel mit Fokuseinrichtung

Klinge zur Pulverbeschickung

Pulvervorratsbehälter

Arbeitsplattform und Hubtisch

Bauteil

nicht versintertes Pulver

Überlauf

Belichten

Absenken

Pulverauftrag

Brennpunkt

Stützstruktur

Direkte MetallbauteileHerstellung von FunktionsmodellenZumeist einphasiges VerfahrenWiederverwendung von nicht benutztem Material

StützkonstruktionenInertgas notwendigOberflächengüteHohe Energiekosten


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Zeitliche Einordnung der additiven Fertigung

Industrielles Drehen (1550)

heute

AF (1982)

19751550

Automobilherstellung (1886)

Laserentwicklung (1960)

Universalrechner (1946)

1950

Technische Nutzung des Stromes (1850)

1850t

1875 1900 1925 2000

Motorgesteuertes Flugzeug (1903)

Dampfmaschine (1712)

Industrieller Kunststoff (1905)

Standardisierung von Schraubengewinden (1860)

Düsentriebwerk (1928)


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Agenda







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Aktuell: Trend vom Consumer zum Prosumer

[Nike]

[CocaCola]

[MyMuesli]

[3DSystems]


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Mediale Visionen

Mediale Visionen zum „3D-Druck“

3D Druck auf dem Mond

www.spiegel.de

Allerdings auch Berichte über das 3D-Drucken von Waffen…

3D Druck von Flugzeugen Ein 3D Drucker für Alles

Die Zeit


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Unrealistische Erwartungen?

§ Für zukünftige Projekte visionär, aber realistisch bleiben!

§ Keine falschen Aussagen treffen: „Jeder kann alles mit jeglichen Materialien in allen Farben zu geringen Kosten bis morgen drucken!”

§ Formulierungen wie “Heutzutage ist es nicht möglich, komplette Maschinen ganzheitlich mit einem Drucker herzustellen, aber was zukünftig möglich sein wird…” verwenden.

§ Verständnis, Wissen & Vertrauen schaffen

Geschürte Erwartungen an die Technologie


http://www.spiegel.de

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Auf dem Weg zur Produktivität…

Gartner-Hype-Zyklen

[www.gartner.com]

2013 erstmalsDifferenzierung


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HohesMarktpotential§ Quantifizierbare

Aussagen zur weiteren Marktentwicklung

§ Studien zur konkreten Anwendung der Verfahrensvorteile

Marktanalysen

[canalys]

[Roland Berger]

§ 85 g Gewichtsreduktion / Stk.§ 72,5 kg Gewichtsred. / A380§ Hochgerechnet 3.300.000 l Kerosinersparnis im

Lebenszyklus eines A380: ~ 2.000.000 €[SAVING Project]


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Agenda







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Materialeigenschaften (Metall)

Anisotropie mechanische Eigenschaften

§ Zugfestigkeit steigt mit steigendem Polarwinkel

⇒ Schichtstruktur, mögliche Fehlstellen zwischen den Schichten

⇒ Unvollständige/ fehlerhafte Aufschmelzung oder Beschichtung

⇒ Anordnung der Kristallachsen durch vertikale Abkühlung

Räumliche Anordnung Zugfestigkeit - Polarwinkel

860,0

880,0

900,0

920,0

940,0

960,0

980,0

1000,0

0,0 22,5 45,0 67,5 90,0

Tens

ilest

reng

th[N

/mm

2 ]

Polar angle θ [°]

Rz 6,3 rotiert

Rz 6,3 xy

unbearbeitet rotiert

unbearbeitet xy

Ø Standard deviation:§ 28,17 N/mm2

♦ 27,67 N/mm2

17,14 N/mm2

14,71 N/mm2

rot

unmachined rot

unmachined xy

Rz 6,3 xy

Rz 6,3 rot


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Auslegung und Design

18,5 mm

Design vom Testkörper

§ Basisplatte mit Inseln

§ Inseln ∢ 45°Beschichter

§ Boden mit 60°Kerbe

§ Geringe Bauhöhe

Test Geometrien§ Ausgerichtete Wandstärken

§ Ausgerichtete Spalte

§ Wände/ Spalte ∢ 45°Beschichter

§ Ausgerichtete Zylinder

§ Ausgerichtete Bohrungen

§ Aufbauwinkel 40°bis 80°

§ Glockenprofil

Download: http://udue.de/amt


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Qualität von AM

Prozessabbrüche im LBMInkorrekte Aufschmelzung

Kollision von Beschichter mit Bauteil


http://udue.de/amt

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Qualität von AM

Prozessabbrüche im LS - Fehlerarten


• Curling der ersten Bauteilschichten• Bauteilverzug• Melt-Down im Bauraum• Schichtablösungen• Scannerfehler• Kollision Beschichter mit Bauteil

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Standardisierung im Bereich AM

Überblick über weltweite Standardisierung

Source: EOS, Jörg Lenz


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Agenda







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„Individuelle Massenproduktion“

(R)Evolution der Produktion!?

Stü

ckza

hl

Vielfalt

1850

1913

1955 1980

2000

Zeit

Homogene Produkte Heterogene Produkte

Massen-produktion

Globalisierung

Based on: http://blog.treehouselogic.com/2011/02/11/from-bespoke-to-mass-customization/

plan

et-w

isse

n.d

e

süddeutsche.de

cubi

fy.c

om


http://blog.treehouselogic.com/2011/02/11/from-bespoke-to-mass-customization/

http://wissen.de

http://sddeutsche.de

http://cubify.com

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(R)Evolution in der Mode?


shapeways.com shapeways.com


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(R)Evolution in der Lebensmittelbranche?


3D-Drucker als Haushaltsgerät

haute-innovation.com futuristspeaker.com culinarymanager.ch


http://shapeways.com

http://shapeways.com

http://haute-innovation.com

http://futuristspeaker.com

http://culinarymanager.ch

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(R)Evolution in der Kunst?


Unmögliches wird möglich: Individuelle Kunstobjekte:

www.cs.technion.ac.il

www.cs.technion.ac.il

www.hat.mmu.ac.uk

http://static1.schoener-wohnen.de/ www.rapidtech.de

www.southernguild.co.za

http://src.avant-mardi.com/

www.freedomofcreation.com


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(R)Evolution in der Schmuckindustrie?


Vom Goldschmied zum CAD-Designer:

www.eos.info

www.arch2o.comwww.freedomofcreation.com

www.freedomofcreation.com

www.engineering.com

Realizer


http://www.cs.technion.ac.il

http://www.cs.technion.ac.il

http://www.hat.mmu.ac.uk

http://static1.schoener-wohnen.de/

http://www.rapidtech.de

http://www.southernguild.co.za

http://src.avant-mardi.com/

http://www.freedomofcreation.com

http://www.eos.info

http://www.arch2o.com



http://www.engineering.com

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(R)Evolution in der Musik?


Neues Design / Neuer Sound: Neue Instrumente?

http

://3d

ruck

.com

http

://bl

og.s

culp

teo.

com

http

://w

ww

.wire

d.c

o.u

k

http://createdigitalmusic.com


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(R)Evolution in der Medizin?


[www.explainthefuture.com]

[www.theatlantic.com][IDTechEx]

Prognostizierter Markt für 3D Bioprintig [in US$B]:


http://3druck.com

http://blog.sculpteo.com

http://www.wired.co.uk

http://createdigitalmusic.com

http://www.theatlantic.com

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(R)Evolution in der Bauindustrie?


D-Shape 3D Stein Drucker

http://www.detail360.de

http://www.the9billion.com

http://fabbaloo.com

Zement Drucker

http://assets.inhabitat.comhttp://press.d-shape.comhttp://press.d-shape.com


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(R)Evolution in der Holzindustrie?


[CC-Products] [Wired-Magazine]


http://www.detail360.de

http://www.the9billion.com

http://fabbaloo.com

http://assets.inhabitat.com

http://press.d-shape.com

http://press.d-shape.com

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(R)Evolution in der Keramikindustrie?


[http://www.lithoz.com][http://www.3dsystems.com]

[http://www.lithoz.com]

Direkt:

Indirekt:

Technologie: 3D-Druck

Technologie: Laser-Strahlschmelzen

Lithography-based Ceramic Manufacturing


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Agenda







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Aktuelle Forschungsprojekte am RTC (Auswahl)

DesignDesign WerkstoffeWerkstoffe ProzessProzess Post-ProzessPost-Prozess

Ziele: § Unterstützung von Anwendern in der gesamten AM-Prozesskette

§ Ermittlung von Designgrenzen und -möglichkeiten

§ Aufbau anforderungsgerechter Geometriemodelle

§ Vereinfachung der prozessvorbereitenden Algorithmen

§ Vereinfachung der Methoden zum Aufbau von Stützkonstruktionen

§ Generierung von Schichtdaten

Wissensbasiertes Unterstützungssystem für AM-gerechte 3D-CAD-CAM-Prozesse

Projekt:


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Ziele: § Erweiterung des Werkstoffspektrums

§ Steigerung des Prozessverständnisses

§ Beeinflussung der Gefügeausprägung

Qualifizierung von Metall- und Kunststoffwerkstoffen für die additive Fertigung

Projekt:



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Ziele: § Quantifizierung der Oberflächencharakteristika

§ Entwicklung von spezifischen Oberflächenparametern

§ Automatisierter Qualitätssicherungsprozess

Optische und flächenhafte Oberflächenanalyse additiv gefertigter Bauteile

Projekt:


0.25 mm


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Auswahl weiterer Forschungs- und Anwendungsbeispiele

Hybridaufbau Poröse Strukturen

RFID-IntegrationVideo-Ureteroskop

Leichtbaustruktur


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Zusammenfassung und Ausblick

Erfolgsfaktoren für das Additive Manufacturing

§ Wissen, Vertrauen und Akzeptanz schaffen

§ Designvorteile nutzen undBauteilmehrwerte generieren

§ Ausbildungsinhalte anpassen

§ Implementierung einer QS

§ Qualitätsverbesserung

§ Vereinfachung des Post-Prozesses

§ Reproduzierbarkeit, Robustheit

§ Standardisierung…

Stü

ckko

sten

Stückzahl

AM heute

konventionelleFertigung

AM zukünftig

Komplexität

AM heute

konventionelleFertigung

AM zukünftig


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Kontakt

Dr.-Ing. Jan T. Sehrt [email protected]+49 203 379 1570

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


mailto:[email protected]

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