Stand der Technik 3D-Druck - seniorinnenuni.at · 10 Engineering Technologies (TEC) ......

Stand der Technik – 3D-DruckSeniorInnenUNI | IMC FH Krems | 24.01.2019Martin Braunstorfer, MSc | FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH

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Martin Braunstorfer, MSc

Persönlicher Hintergrund

• HTL Wr. Neustadt – Maschinenbau

• FH Wr. Neustadt – Mechatronik

− Master Thesis im Bereich der

Prozessüberwachung beim LSS

• seit 2016 als 3D-Druck – Techniker bei FOTEC

• Privat:

− Rettungssanitäter beim Roten Kreuz

− Mithilfe bei der Organisation div. Veranstaltungen

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Inhalt

• Firmenvorstellung

• Allgemeines zum 3D-Druck

− Einführung

− Beispiele

• Überblick der 3D-Druck – Technologien

− Feststoffe

− Flüssigkeiten

− Pulver

• Laserstrahlschmelzen (LSS) bei FOTEC

− Prozessablauf

− Anwendungen / Case Studies

− Entwicklungen für die Raumfahrt

• Maschinenausstattung FOTEC

− Maschinenausstattung für die additive Fertigung

− Zusatzausstattung für die additive Fertigung

• Zusammenfassung und Ausblick

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FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH

Firmenvorstellung

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Die FOTEC ist das Forschungsunternehmen der

Fachhochschule Wiener Neustadt

FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH

• 1998 gegründet

• Betriebsleistung > 2,5 Mio. EUR

• ~ 40 MitarbeiterInnen

• Mehr als 20 nationale und internationale F&E

Projekte

• Qualitätsmanagementsystem zertifiziert nach

EN ISO 9001:2015

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FOTEC Geschäftsbereiche

Innovative Software

Systems

Aerospace

Engineering

Engineering

Technologies

Ionenemitter

Antriebssysteme

Energiesysteme

Test-Services

Softwareentwicklung

(Windows, Android, iOS, Web)

Generative Fertigung

Pulverspritzgießen

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Engineering Technologies (TEC)

Firmenvorstellung

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• CAD-Design und FE-Simulation

− Bauteilentwicklung

− Topologieoptimierung

• Material (Metallpulver)

− Morphologie, Partikelgrößenverteilung (Fließverhalten)

− Chemische Zusammensetzung (bei AAC)

• Additive Fertigung

− Herstellung von Komponenten

− Prozessüberwachung

(Schmelz- und Pulverbettüberwachung in Entwicklung)

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• Nachbearbeitung

− Mechanische Nacharbeit von Funktionsflächen

− Reinigungsprozedur mittels Ultraschallbädern

− Wärmebehandlung (Spannungsarmglühen)

• Tests (in Kooperation mit AAC GmbH)

− Zugversuch

− Mikrostrukturanalyse

− Riss- und Porositätsuntersuchungen

− Abmessungen und Verzug

− Dynamische Tests (Fatigue)

− Helium Lecktests (Dichtheit) Kompletter End – to – End Herstellungsprozess an einem

Standort!

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Projektfördergeber:

Projektpartner:

u.v.m.

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Einführung

Allgemeines zum 3D-Druck

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3D-Druck in den Medien

Einführung

• Extrusionsbasierte Systeme

• Anwenderfreundlich und

kostengünstig in der Anschaffung

• Drucklösungen starten im Bereich

von EUR 1.000,-

• Modelle können noch

oberflächenveredelt werden

(schleifen und lackieren)

Hobby 3D-

Druck

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3D-Druck in den Medien

Einführung

Professioneller 3D-Druck

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Begriffsdefinitionen

Schichtweiser Aufbau

Einführung

Hohe Bauteilkomplexität möglich

Keine Werkzeuge notwendig

Neue Denkweise in der Konstruktion notwendig

Kürzerer Produktentwicklungszyklus

Mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht herstellbar

Was versteht man unter

3D-Druck bzw. Additiver Fertigung?

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Begriffsdefinitionen

Einführung

ISO 10303 – 1:1994

Additive Manufacturing (AM) ist ein Prozess sich verbindender

Materialien, um Objekte aus 3D-Modelldaten, in der Regel Schicht

für Schicht, zu generieren.

VDI 3405

Laserstrahlschmelzen (LSS) / Laser Beam Melting (LBM)

Selektives Laser-Sintern (SLS) / Selective Laser Melting (SLM)

Gebräuchliche Begriffe:

• Additive Layer Manufacturing (ALM)

• Generative/Additive Fertigung

• Rapid Prototyping

• 3D-Drucken

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Geschichtliches

Als Erfinder des 3D-Druckens gilt Chuck Hull,

der im Jahr 1986 das Patent für seine

im Jahr 1984 erfundene Stereolithographieanlage

zugesprochen bekommen hat.

Einführung

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Beispiele

Allgemeines zum 3D-Druck

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3D-Druck von Lebensmitteln

Beispiele

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3D-Druck von Pasta

Beispiele

21

3D-Druck von Schokolade

Beispiele

22

3D-Druck von Schmuck

Beispiele

23

3D-Druck von Modeartikeln

Beispiele

24

3D-Druck von Einrichtungsgegenständen

Beispiele

25

3D-Druck von Gebäuden

Beispiele

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3D-Druck von Implantaten in der Medizin

Beispiele

27

3D-Druck von Prothesen in der Medizin

Beispiele

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3D-Druck von Prothesen in der Veterinärmedizin

Beispiele

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Überblick der 3D-Druck – Technologien

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Überblick der 3D-Druck – Technologien

3D-Druck – Technologien

Feststoff

Polymer

Fused Filament Fabrication

Flüssigkeit

Polymer

Stereo-lithographie

Digital Light Processing

Poly-Jet Modelling

Pulver

Gips

3D-Drucken

Polymer

Lasersintern

Metall

Laserstrahl-schmelzen

Laser Powder Deposition

Electron Beam Melting

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Fused Filament Fabrication (FFF)

Überblick der 3D-Druck – Technologien mit FESTSTOFFEN

• Synonyme

− Fused Deposition Modeling (FDM©)

− Fused Layer Modeling/Manufacturing (FLM)

• Kunststoffdraht wird aufgeschmolzen und durch

eine Düse extrudiert

• Stützstrukturen für Stabilität sind notwendig

• Schichtdicke: mind. 50 mm

• Farbwechsel innerhalb des Bauteils sind möglich

• Bauvolumen: max. 914 x 610 x 914 mm³

https://www.youtube.com/watch?v=WHO6G67GJbM

(Solid Concepts FDM)

https://www.youtube.com/watch?v=WHO6G67GJbM

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FFF @ FOTEC |ESA-Projekt: ISRU

Überblick der 3D-Druck – Technologien mit FESTSTOFFEN

• In-situ resource utilization (ISRU)

• ESA – Projektstart: 2015

• Herstellung von Strahlen- und

Meteoritenschutzbauten aus Mond-

und Marsstaub mittels 3D-Druck

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Stereolithografie (SL)

Überblick der 3D-Druck – Technologien mit FLÜSSIGKEITEN

• UV Laser härtet ein flüssiges Photopolymer an der

Oberfläche eines Bades


• Nachhärten teilweise notwendig

• Schichtdicke: 20-50 mm

• Bauvolumen: max. 2,1 x 0,7 x 0,8 m³

• Ra < 5 mm

https://www.youtube.com/watch?v=yW4EbCWaJHE

(Formlabs Stereolithography)

https://www.youtube.com/watch?v=yW4EbCWaJHE

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Digital Light Processing (DLP)


Technologie:

• Leuchtdioden strahlen auf rasterförmig angeordnete Mikrospiegel

• Mikrospiegel entspricht einem Pixel (Größe ca. 40 µm, +/- 10° schwenkbar)

Position 0 = Licht trifft auf Absorber

Position 1 = Licht wird in Richtung Optik abgelenkt

Vorteile:

• Maskenbelichtung (gesamte Schicht)

• Baugeschwindigkeit unabhängig von XY

• Hohe Präzision

Nachteile:

• Bauteileigenspannungen

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Poly-Jet Modelling (PJM)


• Synonyme

− Polyjetting

• Druckköpfe sprühen flüssige Photopolymere

auf die Bauplattform und härtet diese mit

UV Lampen aus

• Einsatz von mehreren Materialien / Farben

möglich



• Ra < 8 mm


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3D-Drucken

Überblick der 3D-Druck – Technologien mit PULVERN

• Synonyme

− 3D Printing (3DP)

− Binder Jetting (BJ)

• Inkjet Druckköpfe applizieren einen flüssigen

Kleber auf eine dünne Pulverschicht

• Keine Stützstrukturen notwendig, d.h.

Verschachteln und Stapeln ist möglich

• Färbige Teile sind möglichhttps://www.youtube.com/watch?v=4tiHa2pZFfI

(Voxeljet Sand Process)

https://www.youtube.com/watch?v=4tiHa2pZFfI

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3D-Drucken


• Gedruckte Bauteile müssen zusätzlich

mit Klebstoff infiltriert werden



• Ra ~ 20-25 mm

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Lasersintern (LS)


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Lasersintern (LS) von POLYMEREN


• Synonyme

− Selektives Laser-Sintern (SLS)

• Dünne Kunststoffpulverschicht wird von

einem Laser (oder mehreren Lasern)

selektiv geschmolzen

• Keine Stützstrukturen notwendig, d.h.

Verschachteln und Stapeln ist möglich



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Laserstrahlschmelzen (LSS) von METALLEN


• Synonyme

− Laser Beam Melting (LBM)

− Selective Laser Melting (SLM)

− EOS: Direct Metal Laser Sintering (DMLS®)

− Concept Laser: LaserCUSING®

• Dünne Metallpulverschicht wird von einem

Laser selektiv aufgeschmolzen

https://www.youtube.com/watch?v=zG_yZmwPhIU

(Siemens Gas Turbine Repair with AM)

https://www.youtube.com/watch?v=zG_yZmwPhIU

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Laserstrahlschmelzen (LSS) von METALLEN


• Stützstrukturen für Stabilität und

Wärmeableitung sind notwendig

• Single-, Dual- und Quad-Laser möglich

• Ra ~ 4 – 10 mm

• Schichtdicke: 20 – 90 mm


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Laser Powder Deposition (LPD)


• Synonyme

− Laserauftragsschweißen

• Metallpulver wird koaxial zugeführt und von einem

Laser aufgeschmolzen

• Stützstrukturen für Stabilität und Wärmeableitung sind

erforderlich

• Schichtdicke: 100 – 1.000 mm

• Ra ~ 12 – 25 mm

• Wandstärke: mind. 1 mm

• Bauvolumen: bis zu 1,5 m (abhängig vom Verfahrweg der Achsen)

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Laser Powder Deposition (LPD)


DMG MORI Lasertec 65 3D: kombiniertes Laserauftragsschweißen

& spanende Bearbeitung

• Kombination unterschiedlicher Materialien möglich

• Innenliegende Kühlkanäle, partielle Beschichtungen

• Anwendung:

− Turbinenschaufel

− Flansche

− Bohrkopf

https://www.youtube.com/watch?v=L3CkzQQFZXs

(DMG MORI Lasertec 65 3D)

https://www.youtube.com/watch?v=L3CkzQQFZXs

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Electron Beam Melting (EBM)


• Synonyme

− Elektronenstrahlschmelzen

• Dünne Metallpulverschicht wird von einem

Elektronenstrahl selektiv aufgeschmolzen

• Stützstrukturen für Stabilität und

Wärmeableitung sind notwendig


• Ra ~ 20 – 25 mm

• Wandstärke: mind. 1 mm

• Bauvolumen: 350 x 350 x 380 mm³

https://www.youtube.com/watch?v=M_qSnjKN7f8

(Direct Manufacturing by ARCAM)

https://www.youtube.com/watch?v=M_qSnjKN7f8

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Prozessablauf

Laserstrahlschmelzen (LSS) bei FOTEC

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Überblick

Prozessablauf

Vorbereitung

Vollständiger CAD-Datensatz des Bauteils

Überprüfung der Realisierbarkeit mit der LSS Technologie

Materialauswahl

Herstellung des Bauteils durch Laserstrahlschmelzen

(LSS)

Handhabung und Lagerung des Metallpulvers

Vorbereitung der LSS Anlage

Aufbau des Bauteils

In-situ Qualitätskontrolle

Nacharbeit

Entfernung der Stützstrukturen

Nachbearbeitung der Bauteiloberfläche

Kontrolle der Maßhaltigkeit

Wärmebehandlung

Kontrolle der Sauberkeit

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Vorbereitung

Prozessablauf

Datengenerierung:

• Modellierung über CAD Software

− DS SolidWorks

− DS Catia

− AD Inventor

− etc.

• 3D Scan (Reverse Engineering)

− MS Kinect

− 3DS Sense

− FARO

− etc.

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Vorbereitung

Prozessablauf

Stützstrukturenkonzept:

Stützstrukturen sind notwendig um…

1. Lokale Überhitzung (Material verdampft) zu verhindern

(bessere Wärmeleitfähigkeit als loses Pulver)

2. Position auf der Bauplattform zu halten (zyklische

Beschichtung mit neuem Pulver)

3. Verzug durch thermisch induzierte Spannungen zu verhindern

4. Schneidvolumen für Trennvorgang mit Bandsäge zu haben

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Vorbereitung

Prozessablauf

Stützstrukturenkonzept:

Reduktion der Stützstrukturen auf ein Minimum durch:

1. Bauteilorientierung

2. Modifikation der Geometrie (Re-Design)

3. Art der Stützstruktur

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Herstellung des Bauteils durch Laserstrahlschmelzen (LSS)

Prozessablauf

Pulvereingangskontrolle:

• Partikelgrößenverteilung

• Rasterelektronenmikroskopie

• Feuchtigkeitsmessung

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• Verfahren, welches pulverförmiges Material mittels Laser Schicht für Schicht aufschmilzt und beim

Erstarren verschweißt (VDI 3405)

• Zyklische Abfolge von fünf Prozessschritten:

− Bauplattform absenken

− Beschichter verfahren

−Metallpulver bereitstellen

− Beschichten

− Belichten







− Beschichten

− Belichten







− Beschichten

− Belichten







− Beschichten

− Belichten







− Beschichten

− Belichten

Prozessablauf

Quelle: EOS GmbH - Electro Optical Systems, Bedienung - EOSINT M 280 / PSW 3.5, 2011.

Herstellung des Bauteils durch Laserstrahlschmelzen (LSS)







− Beschichten

− Belichten

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Prozessablauf

Nacharbeit

CNC Fräse

Überarbeitung der verwendeten

Bauplattformen bzw. Nacharbeit von

Funktionsflächen

Bandsäge

Abtrennung der Bauteile von der

Bauplattform

Strahlkabinen

Oberflächenglättung und

-verdichtung der Bauteile

Reinigung der Bauteile

Entfernung aller Prozessrückstände mittels

Ultraschallbad

Qualitätssicherung

Überprüfung der Geometrie und Oberfläche unter

Berücksichtigung der vereinbarten Vorgaben

Bauprozess

abgeschlossen

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ZUSÄTZLICH: Prozessüberwachung

Prozessablauf

• Prozessüberwachung ist notwendig und zum Teil bereits am Markt verfügbar

− Rein gesteuerte Laserstrahlschmelzanlagen

− Keine Qualitätsüberwachung

− Keine Dokumentationsmöglichkeit (Medizin, Luft- & Raumfahrt → Dokumentation ist bei Gefährdung

von Mensch/Maschine durch Bauteil erforderlich)

• Einstufung der gefundenen Fehler gestaltet sich schwierig

• Einbettung in die Anlagensteuerung in Vorbereitung

− Erfassung der Prozessdaten durch geeignetes Messsystem

− Aufbereitung der Prozessdaten

− Entwicklung und Implementierung von Analysefunktionen

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ZUSÄTZLICH: Prozessüberwachung

Prozessablauf

• Pulverbettüberwachung

− Kamerabasierte Überwachung des Beschichtungsvorganges

• Schmelzbadüberwachung

− Analyse der rückreflektierten Strahlung (Prozesslicht)

▪ Photodioden-basiert

▪ Kamera-basiert

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Anwendungen / Case Studies


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Spritzgusseinsatz (Miraplast)


• Konturnahe Wasserkühlung

• Verbesserung der Qualität der Kunststoffteile

• Verringerung der Zykluszeit

Konventionelle Fertigung

Additive Fertigung

Herstellkosten € 2.352,- € 7.895,-

Material Berylliumkupfer CuBe

Werkzeugstahl EOS MS1

Standzeit 3.000.000 Stk. 6.000.000 Stk.

Zykluszeit 10,8 s 9,8 s

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Treibstoffsammler für den Motor eines Kleinflugzeuges


• ursprüngliches Design besteht aus 5 Einzelbauteilen

• Monolithisches Design

• Reduzierte Montagekosten

• Keine Schweißverbindung

• Keine Schweißnahtprüfung

• Strömungsoptimierung

• Material: Ti6Al4V

• Gewicht: 10 g

• 59% weniger Volumen

• 77% weniger Gewicht

Quelle: FOTEC / AustroEngine / Kurri

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Pullrod Bracket (TUW Racing)


• Zugstangenhalterung für einen Sportwagen

• Werkstoff: Ti-6Al-4V

• Gewicht: 23 g

• Gewinde wurde mitgebaut

• Deutliche Verbesserung der Kinematik

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Bremssattel (TUW Racing)


• ursprüngliche als Gussteil mit

gefrästen Funktionsflächen

konzipiert

Konventionelle Fertigung

Additive Fertigung

Material AlSi12 Ti6Al4V

Gewicht 500 g 284 g

Quelle: www.apracing-nicole.com / TUW Racing / FOTEC

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Weitere Beispiele


• Konturnahe Kühlung

− Material: Werkzeugstahl EOS MS1

− Bau in aufgeschnittener Ansicht

• Topologieoptimierte Basisplatte für einen Kleinsatelliten

− Material: Ti6Al4V

− Gewicht: 144 g

− 35% Gewichtsreduktion

Quelle: FOTEC / Rejlek

Quelle: FOTEC

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Entwicklungen für die Raumfahrt


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Motorenhalterung


• Material: AlSi10Mg

• Abmessungen: 170 x 140 x 190 mm³ (LxBxH)

• Gewicht: 515 g

• 20% Gewichtersparnis im Vergleich zur konventionellen

Motorenhalterung

• Monolithisches Design, dadurch Reduktion der Montagekosten

und des Ausfallrisikos (konventionell 5 verbundene Bauteile)

• Projektpartner: Airbus DS, Thales Alenia Space, CNES, AAC

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Flexible Metallbälge als Treibstoffleitung zum Vibrationsausgleich


• Material: Ti6Al4V (kompatibel mit gängigen Treibstoffen)

• Abmessungen: 35 x 50 mm (Außendurchmesser x Länge)

• Wandstärke: 510 µm

• Drucktest (20 bar Innendruck, 100 Lastzyklen)

• Gasdichtheit (Heliumlecktest erfolgreich bestanden)

• Ermüdungstest (3mm axiale Auslenkung, 5000 Lastzyklen)

• Bauteil ist nur additiv herstellbar

• Projektpartner: DLR, AAC

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Antennenkomponenten zur Signalführung auf Telekommunikationssatelliten


• Material: AlSi10Mg

• Abmessungen: 56 x 34 x 34 mm³ (LxBxH)

• Gewicht: 55 g

• Hochfrequenz-Eigenschaften vergleichbar mit konventionell

gefertigter Komponente

• Oberflächenrauheit hat niedrigen Einfluss auf Eigenschaften

• Maschinell bearbeitete Schnittstellen

• Projektpartner: Airbus DS, AAC

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Maschinenausstattung für die additive Fertigung

Maschinenausstattung FOTEC

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EOS M280

Bauvolumen:

250 x 250 x 325 mm3

Materialien:

AlSi10Mg, Ti6Al4V,

Werkzeugstahl MS1 (1.2709),

Edelstahl PH1 (1.4540),

Nickel-Basislegierung HX

Laser: 200 W Yb-Faser

EOS M400

Bauvolumen:

400 x 400 x 400 mm3

Materialien:

AlSi10Mg

AlSi7Mg

Laser: 1.000 W Yb-Faser

EOS P396

Bauvolumen:

340 x 340 x 600 mm3

Material:

PA 12

Laser: 70 W CO2

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3D-Druck – Labor für FH-Studenten


• ULTIMAKER S5

• Prusa i3 MK3 3D Drucker

• und noch weitere . . .

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Zusatzausstattung für die additive Fertigung

Maschinenausstattung FOTEC

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• Pulvercharakterisierung

− Laserdiffraktometer Horiba LA-950

− REM Hitachi TM-1000

• Bauteilcharakterisierung

− 3D Scanner FARO Quantum M

− Oberflächenprofilometer Alicona Infinite Focus SL

• Wärmebehandlungsofen Carbolite Gero GLO 210-11

• Mechanische Werkstatt

• Diverse CAx Tools (Konstruktion und Simulation)

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Pulvercharakterisierung


Laser-Streulichtspektrometer Horiba LA-950

• Messung mittels Beugung und Streuung

• Messbereich: 0,01µm – 3000µm

• Messung des Pulvers in H2O mittels Durchflusszelle

• Messung mit und ohne Ultraschall

→ Partikelgrößenverteilung

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Pulvercharakterisierung


Rasterelektronenmikroskopie Hitachi TM-1000

• Vergrößerung bis 10.000-fach

→ Pulverform, Satellitenpartikel, …

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Bauteilcharakterisierung


3D-Scanner Faro Quantum M + Laser Line Probe SD

• Berührende und berührungsfreie Bauteilvermessung

größerer Bauteile

• Soll- / Istvergleich von Bauteilen

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Bauteilcharakterisierung


Oberflächenprofilometer Alicona Infinite Focus SL

• Optische Form- und Rauheitsmessung

• Oberflächenvermessung zur Weiterentwicklung

von Maschinenparametern

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Zusammenfassung und Ausblick

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Vorteile


1. Neue Möglichkeiten

Fertigung von Bauteilen und Funktionen, die bisher auf konventionellem Weg nicht fertigbar waren

2. Reduktion des Gewichts

Leichtbau – inkl. Hohlräume, Bionisches Design

3. Monolithische Bauweise

mehrere Funktionen oder Bauteile werden in einem gefertigt

z.B. zur Vermeidung von Montageschritten oder zur Erhöhung der Sicherheit

4. Individualisierte Bauteile

Losgröße 1 – inkl. Fertigung vor Ort, Fertigung von Ersatzteilen

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Nahe Zukunft


• Steigerung der Funktionalität und Ressourceneffizienz

• Topologieoptimierung und Funktionsintegration

• Einzug von bionischem Design

• Ultraleichtbau

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Beispiel Ultraleichtbau | Sicherheitsgurt A380


• Gewichtsreduktion

− Stahl:155 g

− Titan: 68 g

• Airbus A380 mit 853 Sitzplätzen

→ Gewichtseinsparung von 74 kg

• Einsparungen über Lebensdauer

− 3,3 Mio. Liter weniger Treibstoff

− 0,74 Mio. Tonnen weniger CO2 – Emissionen

Quelle: https://www.3trpd.co.uk/portfolio/saving-project-saving-litres-of-aviation-fuel

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Nahe Zukunft


• Größere Bauvolumina (aktuelles Maximum bei LSS ist

800 x 400 x 500 mm³)

• Höhere Baurate (Anzahl Laser & Laserleistung steigen –

bis zu 150 cm³/h)

• Höhere Bauteilqualität (Oberfläche und Präzision) direkt

nach dem Baujob (Nachbearbeitungsaufwand sinkt)

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Ferne Zukunft


• Herstellen von Ersatzteilen und Werkzeug vor Ort (Mond / Mars)

• Menschliches Gewebe und Organe

• Energieautarke Fertigungszentren in transportablen

Standardschiffscontainern

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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