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FORMGEBUNG KOMPLEXER BAUTEILGEOMETRIEN– TEIL 2, ADDITIVE FERTIGUNG

Dr. Tassilo Moritz

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Formgebung

Quelle: IKTS

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FormgebungPressformgebung

(trockene Formgebung)(Thermo-)plastische

Formgebung

Gießformgebung

(nasse Formgebung)

• Uniaxiales Pressen

• Isostatisches Pressen

• Einformen,

Überformen

• Extrudieren

• Niederdruckspritzguss

• Hochdruckspritzguss

• Schlickergießen

• Foliengießen

• Gelcasting

• Direct Coagulation

Casting

• Elektrophorese

• Zentrifugalgießen

• Druckgießen …

Additive Fertigung

• Pulverbasierte Verfahren

SLS – Selective Laser Sintering3D-Pulverbettdruck

LOM – Laminated ObjectManufacturing

• Suspensionsbasierte VerfahrenLCM – Lithography Based CeramicManufacturing3DTP - Thermoplast-basierter 3D-DruckFDM – Fused Deposition Modelling

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Niederdruckspritzguss

Quelle: IKTS

Beheizbare Kugelmühle

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Niederdruckspritzguss

Quelle: IKTS

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Niederdruckspritzguss

Quelle: IKTS

Geöffnetes Niederdruck-Spritzgießwerkzeug

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NiederdruckspritzgussBauteilbeispiele

Quelle: IKTS

Quelle: IKTS

Quelle: IKTS

Mittelohrimplantate

Spinndüsen aus Al2O3

Entbinderung:

• thermisch mit sehr langen Aufheizzeiten (2 - 4 K/h)

• in Pulvereinbettung, um flüssigen Binder aufzunehmen (Wicking-Effekt)

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NiederdruckspritzgussKeramische Glühkerze (2C-LP-CIM)

Quelle: IKTS

Design: Hidria AET

Materialkombination Si3N4/MoSi2

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2K-Keramikspritzgießen - Herausforderungen und Chancen

Spannung[V] ErreichteTemperatur [°C]

11 1040

12 1100

13 1230

Ansprechzeit: 3 s Quelle: Fraunhofer IKTS

Keramische Glühkerze (2K-Niederdruckspritzguss)

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NiederdruckspritzgussBauteilfehler

Quelle: IKTS

Heißgegossenes Bauteil (Lunker in Gießrichtung)(links Aluminiumoxid, rechts Aluminiumnitrid)

Ursache: Luftdruck-unterstütztes Einspritzen

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NiederdruckspritzgussBauteilfehler

Quelle: IKTS

Oberflächliche Risse nach dem Sintern (SiC)

Mögliche Gründe:

zu kalte Werkzeugoberfläche

zu geringe Feststoffbeladung im Feedstock

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NiederdruckspritzgussQualitätskontrolle – Röntgen-CT

Quelle: IKTS

Zerstörungsfreie Ermittlung der genauen Position von

• Rissen,

• Lunkern, Poren,

• Delaminationen,

• Einschlüssen

prozessbegleitend, vor der zeit- und kosten-

intensiven Sinterung

schnelle Reaktion auf Veränderungen in

Prozessabläufen und auf Fehlerquellen möglich

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Rapid Prototyping

Quelle: IKTS

Indirekte Rapid-Prototyping-Prozesskette

Quelle: IKTS

Quelle: IKTS

Quelle: IKTS

Quelle: IKTS

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Hype curve for new technologies (July 2012)

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Additive Fertigung

Punkt

3DPPulver

Linie

SLSPulver

EFFPaste, Strang

SLASchlicker

Fläche

SLASchlicker

LOMFolie, Papier

3DP – 3D PrintingSLS – Selective Laser SinteringEFF – Extrusion FreeformingSLA – StereolithographyLOM – Laminated Object Manufacturing

Art der Schichtbildung

Partikelbin-dung durch

Binderlösung aufgesprüht durch Ink-Jet

Technik (indirektes

Drucken) oder Verdrucken

einer verdünnten keramischen Suspension

mit flüchtigem

Lösungsmittel auf

absorbieren-des Substrat

(direktes Drucken)

Selektive Verfestigung von Pulvern

durch Laserstrahl

Kontinuier-liche

Extrusion

Aufschmelzen und Erstarren

Polymeri-sation von geeigneten

Harzen durch Laser,

Heizstrahler oder Licht

Laminieren und

Laserschnei-den/

Schneiden mit Werkzeug (bond-first lamination)

oder umgekehrt

(cut-first lamination)

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Additive Manufacturing: Herstellung eines Bauteils durch sukzessives Hinzu-fügen oder Ablagern von Material. Dabei wird das Baumaterial mit der darunter liegenden Schicht verbunden, beispielsweise durch Polymerisieren,Sintern, Schmelzen oder Kleben.

Auch: Generative Fertigung (aus dem Lateinischen) – erzeugend, urformend –hier: Aufbauende Verfahren

Rapid Tooling: Schnelle Herstellung von Werkzeugen für die Fertigungvon Serienteilen. Dabei werden generative Verfahren statt des klassischenFormenbaus angewendet.

Slicing (Schichterzeugung): Der 3D-Drucker arbeitet schichtweise. Dabeiwird das Model in einzelne Schichten zerlegt. Je größer die Schichtdicke ist,desto geringer ist die Oberflächenqualität. Das liegt daran, dass eine großeSchichtdicke einen großen Stufeneffekt auf geneigten Oberflächen erzeugt.

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Additive FertigungAnwendungsfelder

Quelle: IKTS

Neue Geschäftsmodelle durch Wegfall von Lager-/Logistikkosten

Replacement

Gesamter Bereich der Funktions- und Strukturkeramik

Rapid Prototyping

Orthopädie, Endoprothetik

Individual. Implantate

Bioakt. Strukturen

Medizintechnik

In-line-Prozesskontrolle

NDE für Bauteile

Qualitätssicherung

Customized Products

Wirtschaftliche Serien

< 5 Exemplare

Kleinserienfertigung

Formenbau

Werkzeugfertigung

Einzelteilfertigung und personalisierte Bauteile

Individualisierung

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Quelle: Petra Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping, Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt, Springer-Verlag 2012

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Allgemeiner Fertigungsablauf:

Datenaufbereitung: Erzeugung des CAD-Modells und Export

Datenvorbereitung: Auftrennung in übereinander liegende Schichten (Slicen)

Datenverarbeitung: Prozessvorbereitung und Parametereinstellung im Steuerrechner der Anlage (Materialauftrag etc.)

Fertigung der Bauteile mit dem jeweiligen System

Säuberung

Entbinderung/Sinterung/Mechanische Nachbearbeitung

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Basis für einen 3D-Druck ist eine 3D-CAD-Datei (3D-CAD-Volumenmodell!). Nicht zuletzt wird die Technologie auch deshalb als Digital Fabrication bezeichnet, weil das Modell digital vorliegen muss. Dieses kann entweder eine Konstruktion sein, die mit Hilfe eines 3D-Design-Programms gezeichnet wurde, oder ein 3D-Scan.

Um 3D-drucken zu können, muss die Datei – egal ob 3D-Zeichnung oder 3D-Scan – in ein Netz aus Dreiecksflächen umgewandelt und als STL-Datei exportiert werden. Je feiner das Netz aus Dreiecksflächen ist, desto genauer ist die Beschreibung der Datei und desto höher ist die Auflösung – und schließlich die Qualität beim Druck. Allerdings: Je mehr Dreiecksflächen verwendet werden, desto größer wird auch die Datei.

Neben dem STL-Exportformat gibt es noch zahlreiche

andere Formate, in die Sie aus dem CAD-Programm exportieren

können. So sind IGES und STEP in der Industrie sehr weit

verbreitet. IGES und STEP ermöglichen es, beliebig gekrümmte

Oberflächen in jeder Skalierung gleich gut darzustellen.

Weitere Export-Formate sind zum Beispiel OBJ, DXF, DWG, WRL

und VRML.

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Der 3D-Drucker arbeitet schichtweise, deshalb wird das Modell in einzelne, sehr dünne Schichten oder Scheiben (Slices) zerlegt. Der Vorgang wird als Slicingbezeichnet. Jede Schicht entspricht dabei der physikalischen Druckdicke. Damit das Slicing problemlos abläuft, darf die Ausgangsdatei keine Fehler – wie beispielsweise fehlende Außenflächen – enthalten. Das Modell muss „wasserdicht“ sein.

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Additive Fertigung

Quelle: IKTS

Bei fast allen 3D-Druck-Verfahren wird Stützmaterial erforderlich. Es gibt einige Verfahren, bei denen das Objekt in ein Pulverbett hineingedruckt wird. Der Grund dafür, dass Stützmaterial notwendig wird, ist der, dass ein 3D-Drucker nicht „in die Luft drucken“ kann.

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Additive FertigungVorteile

Quelle: IKTS

Komponenten werden Schicht für Schicht aufgebaut

neue Designfreiheit

Werkzeugfreie Fertigung Kosteneinsparung

Lithoz GmbH, 2013

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Additive FertigungNachteile

Quelle: IKTS

Größenbeschränkung durch begrenzten Bauraum

lange Prozesszeiten (mehrere Stunden)

niedrige Verdichtung und Dichteinhomogenitäten

limitierte Oberflächenqualität

Begrenzung in Multifunktionalität

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Additive Fertigung3D-Printing (3DP)

Quelle: IKTS

Ausgangsmaterial: pulverförmig – Pulvergemische (Polymere, Keramiken, ect.)flüssig - BinderBauprozess: schichtweise durch punktweises Auftragen von Binder und Verkleben vonpulverfömrigem MaterialPostprozess: Reinigen mittels Druckluft, Sintern

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Additive Fertigung3D-Pulverdruck

Quelle: IKTS

Druckflüssigkeit

PulverauftragsrolleDruckerkopf

Düse

Verdichtetes

Pulver

3D-Datenmodell von CAD-Software

Trocknung, Pulverentfernung

Entbinderung

Sinterung

Druckprinzip

Verfestigung der Pulverbettschicht durch Reaktionzwischen Pulver und Binderlösung

komplexe Geometrien realisierbar (Freiformflächen, Hohlstrukturen, Hinterschnitte)

Sinterung zum Erhalt einer porösen Struktur mit aus-reichender Festigkeit

Makroporen über Druckprozess, Mikroporen über Pulverauswahl und Sinterbedingungen

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Additive Fertigung3D-Pulverdruck

Quelle: IKTS

100 µm

Granulate 3D-Printing Debinding/Sintering NDT

Bauraum 350 x 250 x 200 mm³

Schichtdicke 87.5 µm or 100 µm

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Additive Fertigung3D-Pulverdruck – Beispiel Hydroxylapatit

Quelle: IKTS

40 mm 20 mm

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Additive FertigungSelektives Lasersintern (SLS)

Quelle: IKTS

Ausgangsmaterial: pulverförmig – Polymere, Metalllegierungen, KeramikenAktivierungsenergie: Wärmestrahlung von Laser und StrahlernPostprozess: Reinigen mittels Druckluft, Infiltration mit flüssigem Metall, Nachsinterung

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Additive FertigungSelektives Lasersintern (SLS)

Quelle: IKTS

dosage platform

with powder feed

spreading knife

building platform

wave length 10,6 µm (CO2-Laser)

spot diameter > 0,45 µm

power 1 – 240 W

building space 250 x 250 x 200 mm³

layer thickness ≥ 20 µm

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Additive FertigungSelektives Lasersintern

Quelle: IKTS

Lasersintern von SiC

poröser Grünkörper

Dichte so hoch wie möglich

ausreichende Festigkeit ( Handling)

Mikrostruktur von Lasergesintertem SiC

einige gesinterte Agglomerate

zerstörte Partikeln

Partikelverzahnung

SiO2

rekristallisierte SiC-Partikeln

gute Handhabbarkeit bei niedriger, aber ausreichender Festigkeit

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Additive FertigungSelektives Lasersintern

Quelle: IKTS

wave length 10.6 µm (CO2-Laser)

scanning speed 200 – 300 mm/s

power 100 W

building space 250 x 250 x 200 mm³

layer thickness ≥ 20 µm

EOSINT M 250 Xtended

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Additive FertigungStrahlschmelzen (SLM), Electron Beam Melting (EBM)

Quelle: IKTS

Ausgangsmaterial: pulverförmig – MetalllegierungenBauprozess: lokales Aufschmelzen mittels Laser oder Elektronenstrahl; Verkleben beimErstarrenPostprozess: Mikrostrahlen, Laserstrahlabtragen, Laserstrahlumschmelzen, PVD

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Additive FertigungFused Layer Modeling (FDM)

Quelle: IKTS

Ausgangsmaterial: strang- oder fadenförmig, Polymere mit und ohne FüllstoffBauprozess: Aufschmelzen und lokales Auftragen thermoplastischen Materials durchbeheizte Düse oder Druckkopf, Aushärten durch AbkühlungPostprozess: Reinigen

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Additive FertigungMulti-Jet Modeling (MJM)

Quelle: IKTS

Ausgangsmaterial: granulierte Polymere (Wachs)Bauprozess: Aufschmelzen und linienweises Auftragen thermoplastischen Materials durchbeheizte Düse, Aushärten durch AbkühlungPostprozess: Entfernen der Stützkonstruktionen

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Additive FertigungLaminated Object Manufacturing (LOM)

Quelle: IKTS

Ausgangsmaterial: vorgefertigte Folien aus Papier, Polymer, Metallen, KeramikBauprozess: schichtweise durch Ausschneiden der Schichtkontur mittels Laser, Messeroder Wasserstrahl sowie Verkleben der Folien oder Fügen durch UltraschallPostprozess: Entfernen der Reststücke des Teileblocks, Sintern

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Additive FertigungDigital Light Processing (DLP)

Quelle: IKTS

Ausgangsmaterial: flüssig bis pastös – Oligomere/Monomere mit und ohne FüllstoffBauprozess: schichtweise durch lokales Verfestigen von Photopolymer-Flüssigharzenunter Einwirkung einer Lichtmaske (mittels Mikrospiegel)Postprozess: Reinigen mit Chemikalien, ggf. Sintern

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive FertigungDirect Light Processing (DLP) oderLithography based Ceramic Manufacturing (LCM)

Quelle: IKTS

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Additive Fertigung – Abscheidung funktionaler Strukturen (Drucktechnologien)

Siebdruck TamponDruck

Mikro-dispens ing

Ink-Jet-Druck

Aerosol-Jet-Druck

Prozess Masken basiert

Masken basiert

digital digital digital

Viskos ität [mPa*s]

10.000 10.000 10.000 10 1000

Partikel Größe [µm]

0,1 - 5 0,1 - 5 0,1 - 5 0,01-0,1 0,01-1

Min. Linien Auflösung [µm]

30-50 > 50 100 40 10

Dicke [µm] 1 - 100 abhängig 1 - 30 0,5 0,025 - 10

3D-Option Nur Tubular ja ja begrenzt ja

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Additive Fertigung – Abscheidung funktionaler Strukturen (Dünnschichttechnologien)

PVD CVD

Prozess Masken basiert

Masken basiert

Viskos ität [mPa*s]

- -

Partikel Größe [µm]

- -

Min. Linien Auflösung [µm]

< 5 < 5

Dicke [µm] < 1 < 1

3D-Option ja ja

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Additive FertigungTrends

Anforderungen aus der Industrie

• extreme Komplexität der Komponenten

• Strukturen mit integrierten Funktionalitäten „multi functionality“

• Leichtbaustrukturen

• Multi-Material Produkte multi functionality

• Miniaturisierte Komponenten

• Komponenten mit angepassten Eigenschaften

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Danke für die Aufmerksamkeit

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Additive Fertigung

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Additive Fertigung

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