3Faktur - Konstruktion für die additive Fertigung am Beispiel des … · *Quelle: Tabellenbuch...

Workshop Additive Fertigung von Kunststoffbauteilen in der Praxis │ Sebastian Frank 1

M.Sc. Sebastian Frank | Additive Manufacturing Application Engineer

Konstruktion für die additive Fertigung am Beispiel desMulti Jet Fusion (MJF) Verfahrens

Jena | 23. Januar 2020


▪ 1997 gegründet

▪ 195 Mitarbeiter

▪ 49 Mio. Euro Jahresumsatz (2019)

▪ 12 Standorte in ganz Deutschland

▪ Geschäftsführer: Werner Meiser

▪ Über 5.200 Kunden deutschlandweit

▪ Unter den Top 3 der größten deutschenSOLIDWORKS Reseller

▪ Deutschlands größter HP 3D-Druck Reseller

▪ Zertifizierter Desktop Metal Reseller seit 2018

Solidpro Informationssysteme GmbHKurzinfo


▪ Langenau (Zentrale)

▪ Ettlingen

▪ Forchheim

▪ Garching

▪ Leipzig

▪ Memmingen

▪ Neckarsulm

Memmingen

Langenau

GarchingVöhringen

Ettlingen

Neckarsulm Schwabach

Forchheim

Seligenstadt

Leipzig

Paderborn

Solingen

▪ Paderborn

▪ Schwabach

▪ Seligenstadt

▪ Solingen

▪ Vöhringen

Solidpro Informationssysteme GmbHStandorte


Ölzufuhr

Neugestaltung eines konventionellgefertigten Bauteils


Bauteilinformationen:

• Klassisches Dreh-/ Fräsbauteil

• 3 Sacklochbohrungen mit Ø 9 mm

• 4 Gewindebohrungen M4

• 3 Anschlusspunkte

• Kühlrippen zur Kühlung des Mediums

• Ausgangswerkstoff: Al

• Bauteilabmaße: 104 x 50 x 50 mm

Ausgangssituation:Konventionell gefertigtes BauteilBauteilinformationen


Werkstück wird durch Materialabtrag gefertigt.

Aus einem Materialblock wird mit Hilfe von spanabhebenden Verfahren (Fräsen, Bohren, Drehen,…) das Werkstück erstellt.

Je mehr Material abgetragen wird, desto teurer das Bauteil.

Schicht für Schicht wird Material aufgetragen (Schichtbauprinzip).

Es werden keine Bearbeitungswerkzeuge benötigt.

Je weniger Material aufgetragen wird, desto günstiger das Bauteil.

Fertigungsverfahren im VergleichKonventionelle vs. additive Fertigung


Originales Bauteil

Umkonstruktion „Design for additive Manufacturing“

Optimierung/ Volumenreduktion für die additive Fertigung

2

13

1https://www.materialise.com/; ²https://3ddruckkaufhaus.de/; ³https://additive-innovation.com/; 4https://de.cleanpng.com/; 5https://www.kade-gmbh.de/; 6https://arinda.de/; 7https://en.wikipedia.org/wiki/CATIA

4

5

6

7

Möglichkeiten der BauteilveränderungÜbersicht


Vo

rde

ransic

ht

Wandstärken zwischen 2,5

und 3,5 mm unkritisch.

Für die additive Fertigung zu

viel Volumen!

Reduzierung des BauteilvolumenWandstärkenanalyse


Volumen: 68,6 cm³Volumen: 169,0 cm³

-59,4%

Anbringen von Lattice-Strukturen zur VolumenreduzierungVorher-Nachher-Vergleich


Jobhöhe: 380 mm

Packungsdichte: 9,4%

Fertigungskapazität:

56 Bauteile können in 10 Stunden gedruckt werden.

PD =Bauteilvolumen

Gesamtvolumen

Definition Packungsdichte:

Einsatz in der FertigungGepackter Bauraum


Originales Bauteil

Umkonstruktion „Design for additive Manufacturing“

Optimierung/ Volumenreduktion für die additive Fertigung

2

13

1https://www.materialise.com/; ²https://3ddruckkaufhaus.de/; ³https://additive-innovation.com/; 4https://de.cleanpng.com/; 5https://www.kade-gmbh.de/; 6https://arinda.de/; 7https://en.wikipedia.org/wiki/CATIA

4

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7

Möglichkeiten der BauteilveränderungÜbersicht


• 2x Flansch mit Ø 9 mm und

zwei M4 Gewindebohrungen

• 1x Ablauf mit Innen-Ø 9 mm;

Außen- Ø 16 mm

• Kühlung des Mediums

• Flanschpositionen vorgegeben

Kühlung

des

Mediums• Druckbereich bis max. 3 bar

Umkonstruktion hinsichtlich additiver FertigungAnforderungen an das Bauteil


Bauteiloptimierung

Seitenansicht

Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?

Strömungsoptimierung:

Überarbeitung der Bohrungsgeometrie


Bauteiloptimierung

Seitenansicht


Modellierung der Gewinde im CAD


Bauteiloptimierung

Seitenansicht



Bauteiloptimierung

Seitenansicht


Volumenreduzierung unter

Berücksichtigung der Wandstärken


Bauteiloptimierung

Seitenansicht


Dimetrisch


BauteiloptimierungWas kann an diesem Bauteil verbessert werden?



Dimetrisch

Draufsicht


Bauteiloptimierung

Draufsicht




Dimetrisch


Bauteiloptimierung

Draufsicht


Dimetrisch


BauteiloptimierungWas kann an diesem Bauteil verbessert werden?

Volumenreduzierung

auf eine Wandstärke

von 1,5 mm

Dimetrisch

Vorderansicht

Bauteilschnitt


Bauteiloptimierung

Seitenansicht

Problem: Kühlrippen

Wärmeleitfähigkeit λ W/(m·K)

Aluminium ~ 204*

Polyamid 12 ~ 0,21** *Quelle: Tabellenbuch Metall, EUROPA LEHRMITTEL (Auflage 46)

**Quelle: Konstruktionselemente der Feinmechanik, Carl Hanser Verlag München ( Auflage 4)

Im Vergleich zu

Aluminium ist

Kunststoff (PA 12)

ein sehr schlechter

Wärmeleiter (siehe

Tbl. Wärmeleit-

fähigkeiten).

Faktor: 971

Dimetrisch


Lösung:Vergrößerung der Oberfläche

Kühlrippen Aluminium Bauteil: Helix des AM optimierten Bauteils:

Es wird die Oberfläche mit Hilfe einer Helix vergrößert .

Dadurch wird der Weg, den das Medium zurücklegen

muss länger und der notwenige Kühleffekt wird erreicht.


BauteiloptimierungAnbringung der Helix an das Bauteil

Seitenansicht

Dimetrisch


• 2x Flansch mit Ø 9 mm und

zwei M4 Gewindebohrungen

• 1x Ablauf mit Innen-Ø 9 mm;

Außen- Ø 16 mm

• Kühlung des Ablaufs

• Flanschpositionen eingehalten

• Druckbereich bis max. 3 bar

Kühlung des Ablaufs

Umkonstruktion hinsichtlich additiver FertigungÜberprüfung der Anforderungen


BauteiloptimierungModellierung einer Entpulverungshilfe

Seitenansicht

Dimetrisch


Ölzufuhr

Einsparpotentiale durch eine AM Bauteiloptimierung


95%Gewichtsreduzierung

482g

“Ursprüngliches Design”Aluminium (konventionell)

23g

“Optimiertes Design”Kunststoff (3D-Druck)

70g

“Ursprüngliches Designvolumenreduziert”

Kunststoff (3D-Druck)

85%Gewichtsreduzierung

EntwicklungGewichtsersparnis

Einsparpotentiale durch die UmkonstruktionGewichtsersparnis


Jobhöhe: 380 mm

Packungsdichte: 4,6%

Fertigungskapazität:

79 Bauteile können in 10 Stunden gedruckt werden.

PD =Bauteilvolumen

Gesamtvolumen

Definition Packungsdichte:

Einsatz in der FertigungGepackter Bauraum mit strömungs-optimierten Bauteilen


169 cm³

“Ursprüngliches Design”Aluminium (konventionell)

22,8 cm³

“Optimiertes Design”Kunststoff (3D-Druck)

68,6 cm³

“Ursprüngliches Designvolumenreduziert”

Kunststoff (3D-Druck)

PreisMax.*: 205 EUR

PreisMin.**: 26 EUR

PreisMax.*: 34,16 EUR

PreisMin.**: 19,52 EUR

PreisMax.*: 22,14 EUR

PreisMin.**: 12,65 EUR

*bei Stückzahl 1

**bei hoher Stückzahl (n > 100)

Einsparpotentiale durch die UmkonstruktionKostenersparnisse


M.Sc. Sebastian Frank | Additive Manufacturing Application Engineer

[email protected]

Solidpro Informationssysteme GmbH

Benzstraße 15

DE-89129 Langenau

Konstruktion für die additive Fertigung am Beispiel desMulti Jet Fusion (MJF) Verfahrens

Jena | 23. Januar 2020

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