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Werkzeugbau im Laserzentrum Nord Education

Research „Entwicklung von Werkzeugkonzepten mit konturnaher Kühlung und innovativen

Ob flä h t kt “Oberflächenstrukturen“

Dipl.-Ing. oec. Hendrik VogelDipl.-Ing. Hendrik SchonefeldDipl.-Ing. Christian Daniel

Gliederung

1 Institut iLAS/TUHH und LZN GmbH1. Institut iLAS/TUHH und LZN GmbH

2. Infrastruktur im LZN im Mikro Bereich

3 LaserKompetenzfelder im Mikrobereich3. LaserKompetenzfelder im Mikrobereich

4. LasWinT in Kooperation mit Fa. Nordwig

Vortrag LasWinT zur 53.WZBL-Sitzung in Hamburg am 06.04.2011Dipl.-Ing. Hendrik Schonefeld

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Qualifizierung in der Lehre an der TUHH(1 von über 50 Instituten)(1 von über 50 Instituten)

Vorlesungen/Übungen/Labore/Seminare Fertigungstechnik Fertigungstechnik Lasertechnik Füge-/Schweißtechnik Qualitätssicherung CAD/CAM CNC A bild CAD/CAM, CNC-Ausbildung Fachwiss.-Fachdid. Veranstaltung Betreuung von Studien-, Diplom-, Master- und Doktorarbeiten

für Studiengänge Gewerblich Technische Wissenschaften-Metalltechnik (Koordination),

36 Studierende Lehramt Grund und Mittelstufe Arbeitslehre (Koordination) 245 Studierende Lehramt Grund- und Mittelstufe-Arbeitslehre (Koordination), 245 Studierende International Production Management - Masterstudiengang (Koordination),

53 Studierende Hochschulübergreifender Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau Schiffbau

► iLAS widmet über 50% seiner Ressourcen der Lehre (16 SWS)


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► iLAS widmet über 50% seiner Ressourcen der Lehre (16 SWS)

Laser Zentrum Nord

Technologietransfereinrichtung für photonische Produktionstechnik Gegründet am 15.07.2009Gegründet am 15.07.2009 Grundsteinlegung am 01.09.2010 Geplante Fertigstellung und Bezug IV. Q 2011 ca. 25 Beschäftigte (LZN / iLAS) mit einem Jahresumsatz von 2,5 Mio. € (2010)g ( ) , ( )

Investitionen für das LZN:- 3 Mio. € Freie und Hansestadt Hamburg- 10 Mio. € Konjunkturmittel des BMWI zzgl. Industriebeteiligungen: 2 Mio. € Körber2 Mio. € Körber 6 Mio. € Maschinenbau21 Mio. € (≈7 Mio. € Gebäude, 14 Mio. € Anlagen)

Mit dem LZN gelingt der Brückenschlag aus der Forschung in die Industrie!


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Geschäftsidee der LZN GmbH: Technologietransfer in 6 Kompetenz- und Industriebereichen6 Kompetenz- und Industriebereichen

RoLAS SynLAS ShipLAS AirLAS MedLAS ToolLASRoLAS SynLAS ShipLAS AirLAS MedLAS ToolLAS Industrieller Technologietransfer / Aus- und Weiterbildung

LZN GmbH

Optik ProduktSystem Prozess

iLAS & TU Hamburg-Harburg

Forschung & Entwicklung / Lehre


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iLAS & TU Hamburg-Harburg

Aus-/Weiterbildungsinitiativen von RM*-Technologien zur Stärkung des Wirtschaftsraums Deutschlandzur Stärkung des Wirtschaftsraums Deutschland

RM-Technologien sind in die Ausbildung von– Facharbeitern,– Technikern und– Ingenieuren

nahezu nicht integriert. Vernetzung von RM-Qualifikationspartnern, wie Anwender,

Anlagenhersteller und F&Q Einrichtungen erfolgt zurzeit in– RM-Plattform Deutschland, Arbeitskreis Bildung,– DVS-Fachausschuss 4.13: Generative Fügeverfahren und– VDI.

Das Ziel und die Motivation ist der Abbau von Bildungsdefiziten zur Förderung und Verbreitung der RM Technologie.

*RM R id M f t i


6

*RM: Rapid Manufacturing

Gliederung






7

Ansicht Eingangsbereich


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Grundstück für die LZN GmbH

Hamburg-BergedorfAm Schleusengraben 14


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Erdgeschoss

en u

nd

en u

nd

Blechbearbeitung 3D-D

ruck

eAb

trage

n

Blechbearbeitung 3D-D

ruck

eAb

trage

n

und Werkstatt

Messen und Prüfen

A

Schiffbauportal

und Werkstatt

Messen und Prüfen

A

SchiffbauportalSchiffbauportalSchiffbauportal


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Maschinenausstattung des LZN

2010 2011 (nach Baufertigstellung)

Lasergenerieren EOS M270

LasergenerierenConcept M2

Fräsmaschine DMG DMU50eco

Baufertigstellung)LasermarkiererTruMark 1000

LasersinternEOS P390

Laserabtragen EWAG mit

ps-Laser von Lumera

Laserabtragen DMG Lasertec50

LasergenerierenMTT SLM250HL


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Mess-, Prüf- und Softwareausstattung des LZN

2010

Prozessimulation3D Sigmasoft

inversesMikroskop

Olympus GX 51

BaujobvorbereitungMaterialise Magics

Mikrohärte EmcoTest

DuraScan 70

Metallografie LaborTopologieoptimierung Hyperworks

3D CAD Catia V5Konfokales Mikroskop

Keyence VK-8700

BILD


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Gliederung






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Laserkompetenzfelder: Lasergenerieren und Abtragen

SynLAS AirLAS MedLAS ToolLAS

Abtragen

Laserstrahl-verfahren für

Polymerwerkstoffe

Bionische Strukturen für den

Leichtbau

Lasergenerative Herstellung von

Medizinprodukten

Intelligente Werkzeugform-

herstellung

Schneiden von Faser-verbund-

kunst-

Spritzgieß-simulation

und innovative

stoffen Kühlung

Ober-flächen-

Gleichmäßigere Bauteilbelastung und

Laser-generieren Patienten- flächen-

strukturier-ung

bessere Materialausnutzung durch

Topologieoptimierung

von Funktions-bauteilen

K t

individuelle Implantate

Kosten

Qualität Zeit

In allen Projekten setzt das LZN für seine Kunden eine Reduzierung der Kosten und des Zeitaufwandes bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität um


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Qualität Zeit gleichzeitiger Steigerung der Qualität um.

Leistungsangebot für Werkzeugbauunternehmen

Dienstleistungen:– Lieferung von lasergenerierten („3D Druck“) Bauteilen,

Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen– Lieferung von laserstrukturierten Bauteilen, Werkzeugen und

Werkzeugeinsätzen– Durchführung von Spritzgießprozesssimulationen in Bezug auf

Füllung, Temperierung und Verzugü u g, e pe e u g u d e ug Aus- und Weiterbildung Durchführung von Entwicklungsprojekten mit dem Schwerpunkt

l tüt t F ti f hlasergestützte Fertigungsverfahren Bildung eines Innovationsverbundes (nord)deutscher

Werkzeugbauunternehmen Nutzung von Maschinenkapazitäten


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ToolLAS Leistungsbereich: SpritzgusssimulationSpritzgusssimulation

Dienstleistungen FEM Si l ti d S it it 3D Si ft FEM-Simulation des Spritzgussprozesses mit 3D Sigmasoft Berechnung von Temperierung, Bauteilverzug und Auswerferkräften

Vorteile Optimierung des Kühlkanallayouts Temperierungs-, Prozess- und Verzugssimulationp g , g


16

ToolLAS Leistungsbereich: Laserabtragen, Bohren und Beschriftenund Beschriften

Dienstleistungen■ 3D Laserabtrag: Beschriftungen,

Werkzeugformen■ 3D Laserschneiden: Bearbeitung hochharter

Werkzeuge■ 3D Laserbohren: Erzeugen kleinster

BohrdurchmesserBohrdurchmesser

VorteileS h ll■ Schnell

■ Einfach programmierbar■ Werkzeuglos■ Hohe Präzision


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Anwendungsgebiete Laserbohren und Abtragen

Eigenschaften ultrakurzer Pulse (fs):■ kaum Hitzeeintrag ins Material Puls und Plasma zeitlich getrennt Strukturen < Fokusdurchmesser

Anwendungsbeispiele: Laserbohren Kühlung von Turbinenschaufeln Kühlung von Turbinenschaufeln Grenzschichtabsaugung an Flügeln PKW Einspritzdüsen

S llb h t ll

Quelle: LASAG Quelle: Renault

Sollbruchstellen

Anwendungsbeispiele: LaserabtragenQuelle: Rekolas Lasertechnik GmbH

Strukturieren von Oberflächen Bearbeitung von Wendeschneidplatten


18Quelle: SandvikQuelle: Moldingtec

ToolLAS Leistungsbereich: Werkzeuge mit laserstrukturierter Oberfläche (ab 2012)laserstrukturierter Oberfläche (ab 2012)

Dienstleistungen■ Laserstrukturierung von Freiformflächen■ Abtragen mit Pikosekunden-Laser■ Herstellung beliebiger 3D Strukturen■ keine Übergänge zwischen den

Bearbeitungsfeldern sichtbar („Kacheleffekt”)

Vorteile■ Erzeugung neuartiger optischer und

h ti h B t il i h fthaptischer Bauteileigenschaften■ Laserstrukturierung von Werkzeugoberflächen


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Gliederung






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Motivation für das Lasergenerieren von Werkzeugen

ZeitWerkzeugg• kürzere Herstellungszeit• time-to-market

Einsatz• geringere Zykluszeit• geringere Zykluszeit

KostenQualität KostenWerkzeug• niedrige Herstellkosten

des Werkzeugs

QualitätWerkzeug• Qualitätskennwerte des

Werkzeugs vergleichbar mit konventioneller Fertigungkonventioneller Fertigung

Einsatz• kosteneffizienter

Werkzeugeinsatz

Einsatz• Bessere Bauteilqualität

durch gleichmäßiges


Abkühlen

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Merkmale lasergenerierter Werkzeuge und Bauteile

• Generative, schichtweise Herstellung erfolgt direkt ohne Programmierung nach Vorgabe eines 3D Datensatzes

• Beliebige Freiformoberflächen und Hinterschnitte fertigbar

• Kühlkanäle können dicht an die Oberfläche gelegt und an den Prozess angepasst werdeng p

• Beispiele Werkstoffe: •Werkzeugstähle 1.2344, 1.2343, 1.2709•Edelstahl 1.4410, 1.4410•Titan TiAl 6 V4

Quelle: EOS

•Titan TiAl 6 V4•Kobalt Chrom Co212-f•Bronzewerkstoffe für Prototypenwerkzeuge

B t il lität• Bauteilqualität:• Oberfläche Rz 15-35 µm• Maximale Größe 250 mm x 250 mm• Härte bis 54 HRC• Toleranz ca. 1/10 mm

• Nachbearbeitung ist zur Erreichung von hohen Oberflächengüten und Maßhaltigkeit notwendig


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Technologieprinzip Lasergenerieren


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Qualitätsrelevante technischeErgebnisgrößen lasergenerierter Bauteile

DichteDichte HärteHärteFestigkeitFestigkeit

Ergebnisgrößen lasergenerierter Bauteile

OberflächengüteOberflächengüteMaßhaltigkeitMaßhaltigkeitEigenspannungEigenspannung


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Auslegung einer geeigneten Kühlstruktur im Spritzgusswerkzeug zur Steigerung der W k d kti ität d B t il litätWerkzeugproduktivität und Bauteilequalität

Vergleich der Gleichmäßigkeit der Kühlung durch virtuelle Spritzgussanalyse (FEM)S i lkühl Gitt H hl kühl

• Geometrie der Werkzeugkühlung und Abstand zur

Werkzeugoberfläche bestimmen AbkühlverhaltenSpiralkühlung Gitter-Hohlraumkühlung Werkzeugoberfläche bestimmen Abkühlverhalten

• Abkühlverhalten bestimmt Produktivität und Bauteilqualität

• komplexe Freiform-Temperiergeometrien sind nur durch

Lasergenerieren herzustelleng

ungleiches Abkühlverhalten

gleichmäßiges Abkühlverhalten


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Experimentelle Validierung verschiedener Kühlstrukturen im SpritzgusswerkzeugKühlstrukturen im Spritzgusswerkzeug

Kühlzeitverminderung von 11s auf 5s mit lasergeneriertem Gitterhohlraum-mit lasergeneriertem GitterhohlraumWerkzeugeinsatz

Verminderung des Bauteilverzuges im Vergleich zu konventioneller Kühlung vonVergleich zu konventioneller Kühlung von bis zu 90%

Reduktion der Auswerferkräfte erlaubt neue Werkzeugkonzepte ohneneue Werkzeugkonzepte ohne mechanische Auswurfsysteme (z.B. Pneumatik)

K tKosten< 70 %

Qualität> 50%

Zeit< 50 %


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Anwendungsbeispiel: Innovative Kühlstrukturen für SpritzgusswerkzeugeSpritzgusswerkzeuge


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Beispielhafte Ermittlung des Einsparpotentials durch konturnahe Kühlungkonturnahe Kühlung

Lösung über konturnahe Kühlung30 Mio Teile

Konventionelle Lösung30 Mio Teile

Werkzeugpreis 4-fach mit Konturkühlung und speziellem Heißkanal 160.000 €

Werkzeugpreis 4-fach 120.000 €

30 Mio. Teile30 Mio. Teile

Zyklus 10 sec. => 11,2 Mio. Teile / anno u. Wkzg.

3 Werkzeuge => 480.000 € Werkzeugkosten

Zyklus 20 sec. => 5,5 Mio. Teile / anno u. Wkzg.

6 Werkzeuge => 720.000 € Werkzeugkosten g g

Bauteilpreis: 6,21 € / 100 Teile (ohne Werkzeugamortisation)

g g

Bauteilpreis: 8,48 € / 100 Teile (ohne Werkzeugamortisation)

Werkzeugamortisation ohne Zinsen bei 30 Mio. Teile => 1,6 € / 100 Teile

=> Bauteilpreis ca. 7,8 € / 100 Teile

Werkzeugamortisation ohne Zinsen bei 30 Mio. Teile => 2,4 € / 100 Teile

=> Bauteilpreis ca. 11 € / 100 Teile pp


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Ausblick

Vorteile der 3D Druckverfahren („Lasergenerieren“) im Werkzeugbau: I ti Kühl t kt i W k kü di Z kl it d Innovative Kühlstrukturen im Werkzeug verkürzen die Zykluszeit und

verbessern die Bauteilqualität. automatische und schnelle Erstellung auch von Freiformflächen

V d l W k t hl Verwendung von normalem Werkzeugstahl

Nachteile des Verfahrens hohe Kosten für großvolumige Werkzeuge durch niedrige Aufbauraten für eine gute Oberflächenqualität müssen herkömmliche

Fertigungsverfahren zur Nacharbeit eingesetzt werden

Durch Modularisierung und Standardisierung von Werkzeugen lassen sich Kosten und Werkzeugerstellungszeiten senken.

Kombination 3D-gedruckter Formeinsätze mit Standardwerkzeugen ist eine Strategie, um eine große Teilevielfalt bei begrenzten Kosten zu realisieren.


g , g g

29

Vielen Dank!Vielen Dank!

Kontakt:LZN Laser Zentrum Nord GmbHProf. Dr.-Ing. C. EmmelmannHarburger Schlossstraße 6 12

LZN Laser Zentrum Nord GmbHDipl.-Ing. Hendrik SchonefeldHarburger Schlossstraße 6 12Harburger Schlossstraße 6-12

21079 Hamburg Tel: 040 / 42878 - [email protected] lzn-hamburg de

Harburger Schlossstraße 6-12 21079 Hamburg Tel: 040 / 42878 - [email protected]


www.lzn-hamburg.de www.lzn hamburg.de

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