additive fertigung metallischer bauteile · part i inspire – institute for rapid product...

Spierings, Adriaan © 05/2015 inspire AG 1

Additive Fertigung metallischer Bauteile -

Stand der Technik und Perspektiven

12. Mai 2015

3D Systems SA, Marly

A.B. Spierings

Leiter F&E SLM

Inspire AG – institute for rapid product development irpd


Agenda

Part I inspire – institute for rapid product development

Part II Additive Fertigung in Metall

Part III Anwendungsbereiche

Part IV Shortcomings und Zukunfts-Aussichten

Part V Schlussfolgerungen


Teil I

Inspire AG

institute for rapid product development irpd


Wer ist inspire?

INSPIRE

inspire ist ein hochschulnahes Kompetenz-

Zentrum für die Schweizer Maschinenindustrie.

Es betreibt Forschung für die Industrie und löst

Probleme in allen Wissensgebieten. Methoden,

Prozesse und Technologien – inspire macht sie

anwendungsreif.

Strategischer Partner

der ETHZ

inspire ist eine gemeinsame Initiative von Swissmem, der Eidg. Technischen

Hochschule Zürich (ETH) und des Bundesamtes für Berufsbildung und Technologie (BBT).

www.inspire.ch


inspire

iwf Tool machines and

production

pd|z Product Development

(Design for AM)

ics Composite

Structures

ivp Virtual Production

ifa Automation

icmi

Material Integrity

irpd Rapid Product Development

(Additive Manufacturing)

R&D Production


Kernkompetenzen irpd

Kernkompetenzen

Selective Laser Melting

Selective Laser Sintering

Standardisation (ASTM-ISO, VDI)

../../../WORK/Publikation und PP Präsentationen (RPD)/Total irpd/Prospekt_irpd.pdf


F&E Fokus im Bereich SLM @ inspire-irpd

Materialien

• Pulver-Anforderungen

• Materialien für additive Fertigung • Hybride Materialien

• Optimierte Legierungen

• Material Charakterisierung • Mikrostruktur

• Mechanische Eigenschaften

• ……

AM-Prozesse

• Prozessfenster & Materialquali-fizierung

• Prozess Simulation • Spannungen

• Prozess-Effekte

• Prozessierfähigkeit von Materialien

• Produktivität

Anwendungen

• «Design for additive Manufacturing»

• Leichtbau-Strukturen

• Strukturell optimierte Bauteile / Topologie-Optimierung

• Werkzeuge

• Fertigung industrieller Bauteile

Anlagentechnik

• Maschinen-Konzepte & Optimierung von Teilprozessen

• Steigerung der Gesamt-Performance

• QS-Methoden für AM-Prozesse

Standardisation (ASTM-ISO, VDI)


Teil II

Additive Fertigung in Metall


Additive Fertigungstechnologien für Metallteile

Kategorisierung additiver Fertigung nach ISO-17’296



Selective Laser Melting (SLM)

– Metalle: Stahl, Ni- / Superlegierungen

Aluminium

Kobalt-Legierungen

(Titan), u.a.

– Energiequelle Laser

– Verfahren Pulverbett

Vorteile • Kleine und mittelgrosse

Teile

• Sehr hohe Teile-

Komplexität

• Hohe Material-Vielfalt

Nachteile • Keine Grossteile

• Eher geringe Produktivität



Electron Beam Melting (EBM)


Kobalt-Legierungen

Titan

– Energiequelle e- Strahl

– Verfahren Pulverbett

Vorteile • Kleine und mittelgrosse

Teile

• Hohe Komplexität

• Hohe Material-Vielfalt

Nachteile • Keine Grossteile

• Eingeschränkte

Oberflächengenauigkeit



Direct Metal Deposition (DMD)


Aluminium

Kobalt-Legierungen

Titan

– Energiequelle Laser

– Verfahren Pulver-Düsen System

Vorteile • Mittelgrosse bis grosse

Teile

• Hohe Material-Vielfalt3

• Sehr flexibel

Nachteile • Eingeschränkte

Komplexität

• Eher geringe Produktivität Turbine blade crown

source: inspire

DMD-part in IN-718

source: TWI



Überblick

SLM EBM DMD

Materialien Breites Spektrum

Basis Fe, Ni, Ti, Al,

Breites Spektrum

Basis Fe, Ni, Ti, u.a.

Breites Spektrum

Basis Fe, Ni, Ti, Al,

Materialdichte (*) <100% < 100% < 100%

Bauteil-Grössen Einige mm bis typ.

300mm

Bis 300 x 200mm

( / H)

Einige cm bis typ.

1m

Bauteil-Komplexität Sehr gross gross Eingeschränkt

Aufbau-Rate (**) 1 bis 15 cm3/h 50 - 80 cm3/h 5 bis 25 cm3/h

Typ. Schichtdicken Typ. 20 – 100 µm Typ. 50 – 200 µm > 30 – 3000 µm

Typ. Genauigkeit > 0.1 mm > 1.5 - 0.2 mm > 0.1 mm

Oberflächen

Rauhigkeit (***)

30 – 60 µm > 30 µm

60 – 100 µm

* Einige Poren sind i.R. immer vorhanden.

** Abhängig von der zu erreichenden Zieldichte, der Anzahl Teile/Job und der Bauteil-Komplexität

*** Abhängig vom der verwendeten Materialart, der Orientierung der Fläche während dem Bauprozess

und den Pulvereigenschaften



Fazit zur Wahl der additiven Fertigungstechnik für Metallteile

Vom Zielmaterial

abhängig

Stark von der

Bauteilgrösse abhängig

Von der Losgrösse

abhängig

Stark von der Bauteil-

komplexität abhängig

Von der geforderten

Oberflächenqualität abhängig


Teil III

Anwendungsbereiche


Am Beispiel SLM

«Vergleichbar» zu konventionellen Materialien – aber nicht gleich!

– Dynamisch mech. Eigenschaften Mikrostruktur

– Statisch mech. Eigenschaften im Bereich von Guss / geschmiedet

– Anisotropie betr. horizontaler / vertikaler Baurichtung (statisch / dynamisch)

– Andere Mikrostruktur im Vergleich zu konv. Materialien

Material-Eigenschaften

Example: IN718


Praktisch alle Branchen…

Anwendungsbereiche & Branchen

Neue Materialien für SLM - Hybrid-Materialien / MMC, …

Gold, Silber, Bronze

div. Legierungen

Aluminium

AlSi12, AlSi10Mg, Struktur-Legierungen

Titan • Ti6Al4V, Ti-Grade 2, …

Ni-Basis

Div. Superlegierungen

Fe-Basis

1.4404 / 17-4PH / 1.4313, 1.2709, u.v.m.

Entwicklung neuer, auf den SLM-

Prozess abgestimmte Materialien

Leichtbau / Flugzeugtechnik /

Space

Maschinenbau, Prototyping,

Medizinaltechnik

Medizinaltechnik, Space

Turbinenbau

Schmuck


… «gute» - industriell umgesetzte Business-Cases

Turbinen-

Komponenten

Schmuck Dentalprodukte Werkzeugbau

Einspritzdüse Komplexe Teile Kronen / Brücken Interne Kühlung

GE-Einspritzdüse Quelle: inspire

Quelle:

inspire

Quelle:

Fraunhofer

Anwendungsbereiche & Branchen


Mit anderen Worten…

Grosses Potential – Warum?

– Struktur-Optimierung

– Leichtbau

– Bessere Performance

– Komplexe Bauteile

– Funktions-Integration

Source: inspire Source: inspire Source: ARCAM



Grosses Potential

Source: Wohlers Report (2014)

Mio

$

Revenues for AM-products and

services worldwide

Source: Wohlers Report (2014)

Mio

$

Forecast for revenues for AM-products

and services 2016 - 2020


Teil IV

Shortcomings der heutigen AM-Systeme

und Zukunfts-Aussichten


Short-comings heutiger Systeme

Heutige AM-Systeme erfordern i.R…

– nach wie vor viel manuelle Handarbeit

– Pulverhandling / -wechsel

– Bauteilentnahme

– Finish der Bauteile

– …

– Expertenwissen / Erfahrung

– Bauteil-Vorbereitung / Support-Strukturen / Bauteil-Orientierung

– Bauteil-Positionierung

– Anlagen-Parametrisierung

– …

– Eingeschränkte Reproduzierbarkeit von Resultaten

– Materialeigenschaften

– Bauteil-Qualitäten

– …

SLM-Anlage @ inspire

DMD-Anlage @ inspire


Grosses Potential…. ABER

Diese Erwartungen können nur erfüllt werden, wenn R&D-seitig grosse

Entwicklungslücken geschlossen werden können!

– Keine «Prototypen-Anlagen», sondern echte Produktionsanlagen

– Anwendungs-spezifische Anlagenkonzepte

– Hybrid-Fertigung

– Höhere Produktivität

Dies erfordert andere Prozesse, inkl. Hybridfertigung

– Automatisierung der gesamten Prozesskette

– Standardisierung


DMG-Mori: Lasertec 65


Kommerzielle Hybrid-Systeme

– DMG Mori: Lasertec 65

Hybrid-Anlagen


Weiterentwicklung in Richtung AM von Gross-Teilen

– Kommerzielle Anlagen (DMD / Hybrid)

– Trumpf / POM Anlage

– Projekte

– Metallurgy Europe Projekt: 20Mio€ Projekt

Entwicklung von Prozessen zur additiven Herstellung

von Bauteilen bis 5m

– Hohe Aufbauraten für Ti, Al, Ni, Fe

– Hybrid-Fertigung

– Qualitätssicherung, Software-Strukturen, …

Grossteile

Arbeitsraum bis 1500 x 800 x 800 mm 3 linear Achsen 2000 x 750 x 1000mm


China

Grossteile

5 m long titanium wing beams for the C919

passenger plane

AM-machine, China Northwestern Polytechnical University


Teil V

Schlussfolgerungen


Zusammenfassung «AM mit Metall»

– -

Andere Mikrostruktur

Schlussfolgerung ABER…

Echte Fertigung ist heute möglich Erst wenige sehr gute industrielle Anwendungen

sind realisiert

- Dental

- Turbinenanwendungen. GE-Einspritzdüse u.a.

- Schmuck

- Erste Anwendungen in Medizinaltechnik

- …

Die Eigenschaftsprofile sind i.R. gut

und können industrielle

Anforderungen erfüllen

… im Detail sind Unterschiede vorhanden – diese

müssen bekannt sein Standardisierung

- Mechanische Eigenschaften / Anisotropie

- Porosität

- …

Kein Prozess ohne Restriktionen! Design for additive manufacturing


Metall-Anlagen

– SLM / EBM Anlagen 28 (aktuelle & bekannte) Anlagentypen

– 7 Anlagenhersteller (EU, USA) + Hersteller in China und Japan

– DMD / Hybrid-Anlagen mind. 9 verschiedene kommerzielle Anlagen

Etliche Entwicklungs-Projekte sind am laufen

Erwartungen

– Additive Fertigung wird mittelfristig (auch) von der konventionellen

Werkzeugmaschinen Industrie weiter entwickelt!

– Grosse Projektanstrengungen: AM von Grossteilen,

Qualitätssteigerung, …

– Es gibt sehr viele Roadmaps, welche die Weiterentwicklung prägen werden.

– Einzelne Länder

– EU, USA, China, Singapure, …

Zusammenfassung «AM mit Metall»

Quelle: Cranfield Univ.


A.B. Spierings Manager R&D SLM

Lerchenfeldstrasse 5

9014 St.Gallen

[email protected] +41 71 274 73 19 www.inspire.ethz.ch


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