3D-DRUCK MIT NEUEN TECHNOLOGIEN ZU PROFITABLEN … · 1 Status: Additive Produktion und Fraunhofer...

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Diesen Kasten nicht löschen (ist für die Funktion der Folie wichtig)

3D-DRUCK – MIT NEUEN TECHNOLOGIEN ZU PROFITABLEN ANWENDUNGEN

Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO, Fraunhofer IAPT

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AGENDA

1 Status: Additive Produktion und Fraunhofer IAPT

2 Industrielle Entwicklungen für einen profitablen 3D-Druck

3 Technologietransfer in Hamburg für den 3D-Druck

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AM-Kompetenz: Führende Erfahrung und Meilensteine

Quelle: AIRBUS

Erstes additiv gefertigtes Metallbauteil der zivilen Luftfahrt

Finalist beim “Innovationspreis der deutschen Wirtschaft“ 2014

3-D-Druck im zivilen Flugzeugbau – eine Fertigungsrevolution hebt ab

Deutscher Zukunftspreis 2015 – In den „Kreis der Besten“ ernannt

Weltgrößtes 3D-gedrucktes Titanbauteil!

Materialica Design + Technology Award 2016

Next Generation Spaceframe

2017/18: Einzug in die automobile Serienfertigung

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Fraunhofer IAPT und Metall 3D-Druck erreichen den Mars

Ziel: „Elysium Planitia“ auf dem Mars

Distanz: 500 Millionen Kilometer

Flugdauer: 6 Monate und 21 Tage

Miss ion des InSight Mars Lander:

Erforschung der frühsten Entwicklungsprozesse, die den Mars und andere Gesteinsplaneten wie die Erde formten

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Source : NASA „Radiometer“-Bracket Source : DLR

Fraunhofer IAPT „Radiometer“ Titan-Leichtbau-Halterung aus dem 3D-Druck landet erfolgreich auf dem Mars

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Leitbild des Fraunhofer IAPT

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Vis ion

» Wir sind erster Ansprech-partner für die Entwicklung industrieller Lösungen in den additiven Produktions-technologien «

Miss ion

» Unsere Mission ist es, die additive Produktion zu industrialisieren und dadurch die Produkte der Zukunft ressourceneffizient zu gestalten «

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Das langfristige Wachstum der additiven Fertigung liegt in der Produktion, die neue Herausforderungen zu meistern hat

AM Ratenprognose für den gesamten adressierbaren Herstellermarkt

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Additive Herstellungskosten

2016 2020 2025 >2035

> $13B ~$15B ~$17B >$23B

$1M (0%) $45M

(0.3%)

$350M (1,5%)

Totale Herstellungskosten > $ 350M

[Source: BCG Additive Manufacturing Report 2018]

Anwendungs- und Materialspezifisch

Anpassung der speziellen Anwendungen an den industriellen Standard

Wettbewerbsfähigkeit

Bieten einer Alternative zur konventionellen Fertigung

Hoher Durchsatz und kurze Zeit-zu-Bauteil

Rechtzeitige Produktion von verschiedenen Bauteilen mit einem Volumen von 1000´s-100.000´s im Jahr

Dauerhafte Qualität und Kontrolle

Zuverlässige und reproduzierbare Fertigung zur Erhöhung der Verfügbarkeit, Leistung und Qualität

24/7 Service und Konnektivität

Hohe Auslastung und kurze Ausfallzeiten bei einem 24/7 Service und Datenerfassung für die vorausschauende Wartung

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Additive Manufacturing - Herausforderungen für die Markteinführung

Stückkosten

Losgrößen Gering Prototypen und Kleinserie Ersatzteile

Mittel Mittlere Serien (z.B. Luft- und

Raumfahrt, Maschinenkomponenten)

Hoch Großserienproduktion

(z.B. Automobilkomponenten)

Zukunft: Verschiebung der Amortisationsschwelle…

Erhöhte Produktionsgeschwindigkeit von additiven Fertigungsanlagen

Kostenreduzierung von Metallpulver Automatisierte Prozesse …

Konventionelles Gießen

Konventionelles Zerspanen

Bestehende Komponenten Hohe Komplexität Reduzierung der Zykluszeit (Bionisches) Redesign Funktionsintegration Gewichtsreduzierung …

Bauteilkomplexität B

A C

Reduzierung der Maschinenkosten

Reduzierung der Rüstkosten

…

Geringe Losgrößen

Additive Fertigung

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Additive Experten - AM-Supply Chain vom Feinsten!

AM

Design

AM

Process

AM

Factory

AM

4.0

Märkte

Entwicklungs-kompetenzen

Forschung und industrielle

Qualifizierung

Additive Academy Additive Alliance

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Automatisierte Bauteilidentifikation und –optimierung Das volle Potential des AM ausschöpfen

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AM Part

Leichtbau

Topologie Optimierung

AM Restriktionen

Wärme-transport

Topologie für optimale Wärmeübertragung

Strömungs- optimierung

Optimierung für AM

AutoPartIO

Erweiterbare Toolbox für AM Design

Innovative Features

Transparenz von Daten

Bionisches Design

Feature Integration AM

Design

Hürden

Herstellungsprozess wird nicht betrachtet

AM Design verlangt Umdenken

Steile Lernkurve

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Bauteil- und defektspezifische Lebensdauervorhersage Der Weg zur automatisierten Lebensdauervorhersage

1. Prozessüberwachung/ Datenkette

2. Fehlereinflusssimulation 3. Lebensdauervorhersage

Simulation

Fehlertoleranzgrad

Lage Form

Größe

4. Automatisierung

F

Lebensdauerprognose

Validierung

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Fraunhofer IAPT - Technologien - unabhängig und umfassend

SLM 250HL

(SLM Solutions)

AconityLAB

(Aconity)

TruPrint 1000 (Trumpf)

SLM 500HL (SLM Solutions)

Concept M2 (Concept Laser)

EOS M290 (EOS)

EOS M 270

(EOS)

Metall (Pulverbett) Metall (Pulver / Draht / Düse)

TruLaser Robot 5020

(Trumpf)

Arcam A2X

(Arcam)

ORLAS Cube

(OR Laser)

CMT

(Fronius)

Kunststoff

Welding Portal

(Cloos)

AM S5500P (Ricoh)

EOS P396 (EOS)

EOS P390

(EOS)

Quelle: SLM Solutions, Concept Laser, EOS, Trumpf, Ricoh, Aconity, LZN, Arcam, Fronius

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Kunststoffe Metalle

Additive Fertigungstechnologien

Pulverbett-verfahren

Düsenbasierte Verfahren

Laserdraht-auftrag-

schweißen

Laserpulver-auftragschweißen

Lichtbogen-auftragschweißen

Pulverbett-verfahren

Düsenbasierte Verfahren

Selektives Lasersintern

Multi Jet Fusion

Poly Jetting

Kunststoff FDM

Metall FDM

Lichtaushärtende Verfahren

Stereolitho-graphie

Continuous Liquid Interface

Production (CLIP)

Laserstrahl-schmelzen

Elektronen-strahlschmelzen

Binder Jetting

Geplant am IAPT Verfügbar am IAPT

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Laserpulver-auftragschweißen

Laserstrahl-schmelzen

Binder Jetting

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Aufbaurate in cm³/h

Kunststoffe

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Au

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Aufbaurate in cm³/h

Metalle

Vergleich der Additiven Fertigungstechnologien

LBM

Metall FDM

EBM

Binder Jetting

WAAM LMD

Multi Jet Fusion

Poly Jetting CLIP

FDM

SLS

SLA

Maschinenkosten

> 1 Mio € > 0.5 Mio € > 0.25 Mio € > 0.1 Mio € > 250 k€ > 200 k€ > 100 k€ > 50 k€

Maschinenkosten:

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Bionic Smart Factory 4.0 – Arbeitsablauf für AM-BSF 4.0

Pulverhandhabung

Materialfluss

AM Modul

Teileentfernung

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AM – Factory: Mega 4.0

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Multi-

Generiersystem

Keine manuelle Arbeit

Expandier-barer Bauraum

Integrierte QS-Lösung

Hochleistungs-verfahren

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AM – 4.0: Smart Plattform für die Automatisierung der Datenprozesskette

Parts on Demand

Angebotskalkulation

Technologievergleich (additive Produktion vs. Guss und Zerspanung, stückzahlabhängig)

CAD Dateiupload Bestellabwicklung in der Cloud

Online Services

Daten- vorbereitung

Smart Platform: Schnittstelle

Additive Produktion

Nach- bearbeitung

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AM – 4.0: Cyber-physische Prozesskette und Netzwerkbildung Digitaler Zwilling

Möglichst Abdeckung der gesamten Prozesskette

Hauptziel: Verbesserung der Effizienz

Entwicklung eines Digitalen Zwillings:

Erstellung eines umfassenden, ganzheitlichen Anforderungsprofils

Aufschlüsselung abschöpfbarer Daten

Priorisierung der geforderten Funktionalitäten

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Weitergehende Modellentwicklung

Entwicklung des objektorientierten Datenmodells

Vergleich/Evaluierung des Datenmodells zum Grad der Umsetzung in aktuellen Systemen

Erörterung der notwendigen Kommunikationskanäle/Wechselwirkungen Vernetzung

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Status und Zukunft für IAPT-Produktstrategie

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Schulung

+ sinkende Kosten

+ Zeitersparnis

+ effizientere Materialnutzung

+ erhöhte Funktionalität

Suchen

Finden Veredeln

Produzieren

Vermarkten

Material- & Prozessquali-

fizierung

Lieferanten-qualifizierung

Fabrikplanung

System- entwicklung

Part Screening

Ersatzteile

Part Engineering

Strategie-beratung

Industrie-arbeitskreis

Bremssattelfoto: © 2018 Bugatti Automobiles S.A.S.

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AGENDA

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2 Industrielle Entwicklungen für einen profitablen 3D-Druck

3 Technologietransfer in Hamburg für den 3D-Druck

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Charakteristika

Guss

Qualität

• Große Materialauswahl

• Sehr große Designfreiheit

Kosten

LBM

Zeit

LBM – Laserstrahlschmelzen

iLAS & IAPT (GenFLY Project)

iLAS TUHH

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Bionic Aircraft – Next Generation LBM Anlage

M-S

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Bionic Aircraft Testanlage Angepasste Laserstrahlformung kann die Produktivität und Effizienz um 20% steigern

Aufheizen des Bauraums auf bis zu 500°C um thermische Spannungen zu reduzieren

Vakuumoption für sehr hohe Reinheit

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The research related to the BionicAircraft project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no 690689.

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AM Fuel Connector – Beispiel für Bauteil-Integration

Anzahl der Bauteile reduziert von 14 auf 1

Anzahl der Prozessschritte von 18 auf 5

Reduzierung der Fertigungskosten um 50%

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Parts Process Steps Costs

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Conv. Design AM Design

Integral AM Design

Konventionelles Design

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Bauteile Prozessschritte Kosten

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Erster Achtzylinder-Monoblock-Bremssattel aus dem 3D Drucker

Eine Kooperation zwischen Bugatti, Bionic Production AG und Fraunhofer IAPT

Entworfen von Bugatti, vorbereitet und gedruckt am Fraunhofer IAPT

Der Bremssattel soll in diesem Jahr für die Serienproduktion getestet werden

Hergestellt auf SLM500 HL mit vier 400-Watt-Lasern

2.213 Schichten ~ 45h Druckzeit

größtes 3D-gedrucktes funktionales Titanteil

410 mm × 210 mm × 136 mm

Material: Ti6Al4V

40% leichter (2,9kg)

© 2018 Bugatti Automobiles S.A.S.

© 2018 Bugatti Automobiles S.A.S.

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Bionisches Design im Maschinenbau

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PPEE-Werkzeugmaschineneinsatz

Erhöhung der Oberflächenhärte um 300%

Reduktion der Kavitäten-Wandstärke um 90%

Reduktion der Aufwärmzeit der Kavitäten-Oberfläche um 70 %

Reduktion der Fertigungsschritte um 40%

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Topologieoptimierte Wärmetauscher

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Optimized AM Design

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Konv. Design AM Design

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Hydraulikventilblock- Optimierter Strömungs- und Gewichtszustand

Geringerer Druckverlust

Höhere Effizienz

Reduktion Gewicht und Materialabfall

Design ohne Supportmaterial

Design für

Funktionalität & AM

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Weight Pressure Loss MaterialWaste

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Conv. Design AM Design

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Konventionelles Design 1

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Design für Funktionalität 2

Gewicht Druckverlust Material

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Geometrie

Leichte und kompakte 3D-gedruckte Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher für den gewünschten Betriebsbereich

80% erhöhte Wärmeübertragung*

44% Druckverlust im Vergleich zu einem PWT*

Leistungsverbesserungen ermöglichen ein kleineres Volumen

Kanäle mit 100% Gesamtoberflächeneffizienz

Effiziente Pulverentfernung

Flüssigkeits-strömung

iLAS TUHH

Gleichmäßige Verteilung der Flüsse

iLAS TUHH

Anpassbare Kanal-geometrie

Effiziente Pulver-entfernung

* über PWT ähnlichen Volumens (berechnet)

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Special Characteristics

Guss

Qualität

• Geeignet für Hochtemperatur-legierungen

• Stapelbare Bauteile

Kosten

LBM

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EBM – Elektronenstrahlschmelzen

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Source: Arcam

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Titanaluminide – Next generation Material für Rotorblätter

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GEnx (2011): Boeing 747-8 / Boeing 787

Temperaturbeständigkeit

Kriechbeständigkeit

Oxidationsbeständigkeit

Schweißbarkeit

Prozessierbarkeit

Erlaubt höhere Betriebstemperaturen

Niedrige Dichte bei sehr guten mechanischen Eigenschaften

TiAl-Legierungen schon im Einsatz in der Luft- und Raumfahrt

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Special Characteristics

Guss

Qualität

• ‚near-net-shape‘ Fertigung

• Hohe Produktivität

• Großbauteile

Kosten

LBM

Zeit

DED – Direct Energy Deposition

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Source: RTJournal Source: MTAdditive

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Merlin Project: Reduktion der Durchlaufzeit eines Helikopter Brennkammer Gehäuses

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Goals

Near-net-shape Herstellung von Brennkammer Gehäuse eines Helikopters

Einsparung von Kosten und Verkürzung der Durchlaufzeit

Results

Erfolgreiche Herstellung eines Bauteils mit 300mm Radius und 90mm Höhe

Oberflächengüte: 15µm Ra

Bauzeit: 7.5hrs

©TWI Potentielle Reduktion der Durchlaufzeit von Monaten auf wenige Stunden

Projektziele

Ergebnisse

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WAAMpeller – Zugelassene Schiffsschraube aus dem 3D-Druck

internal

Projektziel:

Erforschung des WAAM-Prozesses in der Schiffsindustrie, um effektiver, kosteneffizienter und umweltfreundlicher zu produzieren

Ergebnis:

Mechanische Eigenschaften und Einsatztests zeigen vergleichbare Ergebnisse zu herkömmlichen Gussschrauben

Bereit für kommerziellen Einsatz

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QS-Sensorik für AM-Mega 4.0

Zielsetzung & Features

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Entwicklungsbereiche

Innovative QS-Sensorik mit Handhabungsverknüpfung

Aktueller Prototyp der innovativen QS-Sensorik

Interne Firmware (Software & Hardware)

Optisches System und Kühlstruktur

Applikationstests und -regelung

QS-Sensorik für Regelung und Monitoring des Bauprozess

Kein Einrichtungsaufwand

Thermisch entkoppeltes System

Interne Datenverarbeitung mit direkter Roboterinteraktion

Systemdatenschnittstellen zur Realisierung einer Bauprozessnachverfolgbarkeit

internal

© Fraunhofer

R 23 G 156 B 125

R 242 G 148 B 0

R 31 G 130 B 192

R 226 G 0 B 26

R 177 G 200 B 0

R 254 G 239 B 214

R 225 G 227 B 227


Binder Jetting

Grundprinzip

Pulverschicht wird selektiv mit Binder durch Inkjet Druckkopf verklebt

Bauplattform wird abgesenkt und der Vorgang wiederholt bis Baujob abgeschlossen ist

Sog. Grünteile werden zunächst ausgehärtet (Curing) und folgend in einem Hochtemperaturprozess entbindert und zu annähernd Vollmaterial gesintert

Material

Erprobt: 316SS, 17-4PH, Ti64

Grundsätzlich alle sinterbaren Materialien geeignet

Charakteristika

50 – 100 mal schneller als SLM/EBM

Materialeigenschaften mit MIM vergleichbar

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R 23 G 156 B 125

R 242 G 148 B 0

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Kostenvergleich – LBM vs. BJT

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- €

50 €

100 €

150 €

200 €

250 €

LBM Next-Gen LBM BJT* Next-Gen BJT**

Material

Sintering

Machine

*Based on Digital Metal P2500 100cm³/hr, 75% build volume usage & 60% powder bed density

**Based on DM Production System 12.000cm³/hr, 75% build volume usage, 60% powder bed density and the use of 10€/kg MIM powder

Kostenschätzung zum Druck von 1kg 316L mit aktueller und Next-Gen Anlagentechnologie im LBM und BJT

-40%

-85%

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VW plant Einführung von AM-Serienproduktion im Automobilmarkt

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VW plant Einsatz von HP Metal Jet für AM-Serienproduktion

Start 2018 mit Herstellung von individualisierten Bauteilen und Ausbau zu Funktions- und Sicherheitsbauteilen ab 2019 bzw. 2021

Serienproduktion von individualis ierten Bauteilen mit

BJT Technologie

Stückzahlen > 100.000

Serienproduktion von Funktionsbauteilen ab 2019+

©HP, VW

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Metal Fusion Deposition Modeling FDM oder Fused Filament Fabrication FFF

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Source: Desktop Metal

Prozess

Drucken von extrudierbarem Filament oder Stäben aus Kunststoff-Metallpulver-Gemisch

Herauslösen / Ausbrennen des Kunststoffanteils

Sinterung zu vollständiger Dichte (98-99%)

Charakteristika

Kostengünstige und schnelle Rapid-Prototyping Methode für Metalle und perspektivisch Keramiken

Einfache Grünteilbearbeitung vor der Sinterung

Dichte nach Sinterung: ~98-99%

Support material

Feeding unit

Build material

Platform

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Verfügbar am IAPT ab Mitte 2019

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Bis zu 90% Kostenreduktion in der Spritzgussindustrie durch Metal-FDM

Werkzeugfirma implementiert Metal-FDM in ihre Produktion von Werkzeugeinsätzen im Spritzguss:

Ermöglicht ‚In-House‘-Produktion

Kürzere Durchlaufzeiten

Größere Designfreiheit

Bis zu 90% Kostenreduktion

Konventionell Metal-FFF

Fabrication 3rd Party In-House

Lead Time 3 Tage 50h

Cost $493 $47

©Desktop Metal

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Reduktion der Entwicklungszeit durch Einsatz von Metal-FDM Prototyping

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0

25

50

75

100

125

Kosten Zeit Gewicht

no

rma

lize

d s

cale

Konventionell Metal-FFF

Motorhersteller Lumenium führt Metal-FDM (FFF) in der Entwicklung ihrer Motoren ein

Ziele:

Optimierung des Entwicklungszyklusses

Reduktion der Kosten

Verbessertes Motordesign

Reduktion der gesamten Entwicklungszeit von 3,5 auf 2,9 Jahre

25% Reduktion

©Desktop Metal

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Charakteristika

Qualität

• Keine Stützstrukturen

• Stapelbare Bauteile

• Hohe Isotropie

• Thermoplasten

Kosten

SLS

Zeit

SLS – Selective Laser Sintering

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Source: Digitaltrend Source: Pinshape

Spritzguss

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Landegreifer für Wartungsdrohnen

[Airdronex]

Die Untersuchungen wurden aus Haushaltsmitteln

des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie

(BMWi), FKZ 20W1305G, gefördert.

Bionik 3D-Druck

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Erstes komplett gedrucktes Flugzeugs (powered by Airbus and LZN/IAPT)

Unbemanntes Flugzeugt mit einer Spannweite ca. 3,7 m und einer Länge von ca. 3,5 m

60 Einzelteilen und eine Gewicht von 21 Kilogramm

Eintrag ins Guiness Buch der Rekorde: größtes gedrucktes Flugzeug, welches aus eigener Kraft fliegen kann

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R 23 G 156 B 125

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Plastikschädel zur Vorbereitung einer Operation

Testen und Positionieren

SLS

LBM

Re-Engineering

CT- Scan

Plan Chirurgie

Schädel

Schädel- Kappe

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Behandlung eines Amelobastoms im Unterkiefer mit einer 3D-gedruckten Rekonstruktion (powered by UKE, IAPT and Bionic Production AG)

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AGENDA

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2 Industrielle Entwicklungen für einen profitablen 3D Druck

3 Technologietransfer in Hamburg für den 3D Druck

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Additive Academy – weltweit führend im AM-Technologietransfer

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Basic Training *

Design for AM Training

Hands-on Training *

Bionic Design Training

Bionic Design Expert Training

Design Workshop

Design

Basic Training *

Hands-on Training *

Data Preparation Workshop

Powder Workshop

Learning Expedition

Management Deep Dive

Strategy Workshop

Management

Ad

van

ced

Exp

ert

Implementation

Design Challenge

Part Feasibility Screening

* Based on metal or polymer AM technology

Kundenspezifische Modifikation der Trainings möglich

Production

Sta

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R 254 G 239 B 214

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Additive Alliance – kompetentestes und effizientestes AM-Industrie-Netzwerk

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In negotiations

OEMs Service provider Machine manufactures

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https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Logo_Trumpf.svg

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R 226 G 0 B 26

R 177 G 200 B 0

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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3D-DRUCK MIT NEUEN TECHNOLOGIEN ZU PROFITABLEN … · 1 Status: Additive Produktion und Fraunhofer...

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