Einführung in den 3D-Druck...DIN EN ISO 17296-2 Additive Fertigung – ... 2015. [VDI2016] VDI...

© KIMA, 2017 www.uni-kl.de/kima 1Bearbeiter: Dipl.-Ing. Nils Buschhorn

„Additive Fertigung: Chancen und Herausforderungen durch 3D-Druck“

16.03.2017, Ludwigshafen am Rhein

Einführung in den 3D-Druck Grundlagen, Verfahren, Begriffe


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Lehrstuhl KIMA

Additive Fertigung

Begrifflichkeiten

Verfahren, Werkstoffe und Charakteristika

Prozesskette

Normung

Fazit

Gliederung


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Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau (KIMA)

Forschungsprofil KIMA

Forschungsprofil

Konzeption von Produkt-entwicklungsprozessen

Methodische Produktentwicklung

Systemmodellierung und Simulation

Prüfstands- und Feldversuche

Nutzfahrzeugtechnik

Allgemeiner Maschinenbau

Forschungsschwerpunkt AM:

Integration der additiven Fertigung in den Produktentwicklungsprozess und Produktlebenszyklus

Identifizierung technisch-wirtschaftlich geeigneter Komponenten für die additive Fertigung

Bauteilauslegung und –optimierung

Designrichtlinien


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Software:

Alle gängigen industriell genutzten Softwarepakete

3DXpert

AM-Anlagen

Fused Layer Modeling (FLM) 254 x 254 x 305 mm

Color Jet Printing (CJP)254 x 381 x 203 mm

Laser Beam Melting (LBM)275 x 275 x 420 mm

Prüfstände

multiaxiale servo-hydraulische Testsystemezum Prüfen kompletter Bauteile unter komplexer,realitätsnaher Belastung.

Ausstattung KIMA (TU)

Quelle: 3D Systems


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Lehrstuhl KIMA

Additive Fertigung

Begrifflichkeiten


Prozesskette

Normung

Fazit

Gliederung


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Begrifflichkeiten

Quelle: VDI3405

Additive Fertigung/Additive Manufacturing (3D Druck)Verfahren zur schichtweisen und werkzeuglosen Herstellung von Bauteilen.

Rapid PrototypingPrototypen-fertigung, eingeschränkte Funktionalität

Rapid ManufacturingHerstellung von Funktionsbauteilen

Rapid ToolingHerstellung von Werkzeugen, Formen oder Formeinsätzen für klassischen Fertigungsverfahren (urformenden/umformenden)

Hybride FertigungAdditive Fertigung im konv. Bearbeitungszentrum – z.B. Laser Metal Deposition;Bauteil z.T. konventionell, z.T. additiv gefertigt (miteinander verbunden)


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Lehrstuhl KIMA

Additive Fertigung

Begrifflichkeiten


Prozesskette

Normung

Fazit

Gliederung


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Werkzeuglos und bedarfsgerechte Bereitstellung

Verzicht auf Lagerhaltung

einfache Anpassung

Individualisierung

komplexe Formen realisierbar

konturnahe und bionische Strukturen

Leichtbau und Materialeffizienz

Integralbauweise

…

Vorteile


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weitere Verfahren siehe z.B. VDI 3405

Werkstoffe

Fertigungs-verfahren

Verfahrens-prinzip

Ausgangs-zustand

Verfahrensübersicht

in Anlehnung an VDI3405, BBW2013

folienförmig pulverförmigstrang-/

drahtförmigflüssig

Verkleben und Schneiden

Verfestigung durch Bindern

Punktweises Härten durch Strahlung

Aufschmelzen und Aufspritzen

Aushärten durch Strahlung

Kunststoff, Metall, Keramik,

Papier


FormsandKunststoff PhotopolymerMetall


Formsand

Layer Laminated

Manufacturing3D-Printing

Fused Layer Modeling

StereolithografieLaser-Strahl-schmelzen

Laser-SinternFused Layer

ModelingLaser-Strahl-schmelzen

Laser-Sintern


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Verfahren:Fused Layer Modelling (FLM)

beheizte Düse

Linie-für-Linie-Auftrag

solide Stützstruktur(Stützmaterial)

BauplatteBauplattform mit Hubtisch

generiertes Bauteil(Baumaterial)

Materialvorrat in Drahtform (Stützmaterial)

Materialvorrat in Drahtform (Baumaterial)

Eigenschaft Vorteil Nachteil

Aufschmelzen und schichtweises Ablegen eines Kunststoffstranges

+ große Bauteile+ einfache Verarbeitung+ günstig

- nur Polymere- geringe Oberflächenqualität

Quelle: VDI3405

Abbildung in Anlehnung anVDI3405


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Verfahren:Laser-Sintern (LS)

Quelle: VDI3405

BeschichterVerfestigungszone

X-Y-Scanner

generiertes Bauteil

Pulvervorratsbehälter

disperse Stützstruktur

Überlaufbehälter

Hubtisch

Laser



Punktuelles Sintern einer Pulverschicht mittels Laser

+ keine Stützstruktur nötig+ große Materialpalette+ für Keramik geeignet

- relativ raue Oberflächen- Anschaffungspreis hoch


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Beschichter

Pulvervorratsbehälter

generiertes Bauteil

VerfestigungszoneX-Y-Scanner

solide Stützstruktur

Hubtisch mit Bauplattform

Überlaufbehälter

disperse Stützstruktur

Laser

Verfahren:Laser-Strahlschmelzen (LBM)


Punktuelles vollständiges Aufschmelzen einer Pulverschicht mittels Laser

+ hohe mech. Festigkeit+ nahezu poren-/rissfrei+ nahezu 100% Dichte

- Stützstrukturen notwendig- Hohe thermisch induzierte

Eigenspannungen

Quelle: VDI3405



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Werkstoffspektrum beschränkt

AM-gerechte Konstruktion & Fertigung bedarf hohes Know-How

Öffnungen für Stützmaterial-/Pulverentfernung

geneigte Flächen problematisch

richtungsabhängige Materialeigenschaften

Abhängigkeit der Werkstoffeigen-schaften von Anlage & Material

Schichtstärke/Strangdicke maßgeblichfür Oberflächenqualität

Restriktionen

Abbildung nach [VK2007]


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Lehrstuhl KIMA

Additive Fertigung

Begrifflichkeiten


Prozesskette

Normung

Fazit

Gliederung


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Prozesskette nach VDI 3405

Prozesskette KIMA – Ersatzteilbereitstellung

Prozesskette

Pre-Prozess In-Prozess Post-Prozess

• Datenvorbereitung

• Anlagenvorbereitung

• entfernen Stützstruktur

• Nachbearbeitungsschritte

• schichtweiser Bauteilaufbau

• Entpacken/Entnehmen

Bauteil digitalisieren

Ist-Zustand modellieren

FE-Analyse durchführen

konstruktiv anpassen

Prototypen fertigen

Bauteil fertigen

Bauteil nach-bearbeiten

Bauteil prüfen


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Lehrstuhl KIMA

Additive Fertigung

Begrifflichkeiten


Prozesskette

Normung

Fazit

Gliederung


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Normen und Richtlinien

VDI DIN

VDI 3405Additive FertigungsverfahrenGrundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibung

DIN EN ISO/ASTM 52900Additive Fertigung –Grundlagen – Therminologie

VDI 3405 Blatt 1Additive Fertigungsverfahren, Rapid ManufacturingLaser-Sintern von KunststoffbauteilenGüteüberwachung

DIN EN ISO 17296-2Additive Fertigung –Grundlagen – Teil 2: Überblick über Prozesskategorien und Ausgangswerkstoffe

VDI 3405 Blatt 2Additive FertigungsverfahrenStrahlschmelzen metallischer BauteileQualifizierung, Qualitätssicherung & Nachbearbeitung

DIN EN ISO 17296-3Additive Fertigung –Grundlagen – Teil 3: Haupteigenschaften und entsprechende Prüfverfahren

VDI 3405 Blatt 3Additive FertigungsverfahrenKonstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mitLaser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen

DIN EN ISO 17296-4Additive Fertigung –Grundlagen – Teil 4: Überblick über die Datenverarbeitung


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Lehrstuhl KIMA

Additive Fertigung

Begrifflichkeiten


Prozesskette

Normung

Fazit

Gliederung


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Vorteile:

werkzeuglos

bedarfsgerecht

komplexe Formen realisierbar

Verfahren:

Fused Layer Modeling

Laser-Sintern

Laser-Strahlschmelzen

Handlungsfelder

Arbeitssicherheit

Ausbildung/Schulung

Rechtliche Aspekte

Qualitätskriterien

Fazit

Quelle: VDI2016, Aca2016

Restriktionen:

Materialeigenschaften

Werkstoffspektrum

Gestaltung

Anwendungsfelder

individuelle Betrachtung

Mehrwert generieren


Leistungsspektrum KIMA

Bauteilidentifizierung

Additive Fertigung

NachbearbeitungTeiledimensionierung

Materialcharakterisierung

Qualitätssicherung

Strukturoptimierung Reverse Engineering

Lassen Sie uns diese Themen gemeinsam bearbeiten.

Bauteilprüfung

& Partnerinstitute


[Aca2016] Acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V.: Additive Fertigung Stellungnahme, 2016

[BBW2013] Breuninger, J. ; Becker, R. ; Wolf, A. ; Rommel, S. ; Verl, A.: Generative Fertigung mit Kunststoffen – Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern, 1.Auflage, Heidelberg: Springer, 2013

[GRS2015] Gibson, I. ; Rosen, D. ; Stucker, B.: Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping and direct digital manufacturing, 2nd ed. New York, NY: Springer, 2015.

[VDI2016] VDI Handlungsfelder Additive Fertigungssysteme, 2016

[VDI2221] Richtlinie VDI 2221 Mai 1993: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung, Berlin: Beuth-Verlag.

[VDI3405] VDI-RICHTLINIE 3405: Additive Fertigungsverfahren – Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschrei-bungen, Dezember 2014, VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik, Berlin: Beuth-Verlag.

[VDI 3405-3] VDI-RICHTLINIE 3405: Additive Fertigungsverfahren, Blatt 3: Konstruktionsempfehlungen für die Bauteilfertigung mit Laser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen. Ausgabe Februar 2015, VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL), Berlin: Beuth-Verlag

[VK2007] Vandenbroucke, B. ; Kruth, J.-P.: Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts. In: Rapid Prototyping Journal 13 (2007) S. 196-203

Quellen

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