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Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 1 1

Forschungsthemen der additiven

Fertigung von Metallteilen

A.B. Spierings Head R&D SLM

Inspire AG – innovation centre for additive manufacturing Switzerland

6. Juni 2017, Hilti AG

RhyTalk

Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 2

Agenda

Part I inspire – innovation centre for additive manufacturing

Part II Equipment

Part III Einsatzgebiete für die additive Fertigung (v.a. SLM)

Part IV Typische Materialeigenschaften (SLM)

Part V Forschungs-Fragen @ inspire-icams (SLM)

Part VI Zusammenfassung und Zusammenarbeit


Part I

Inspire AG

Innovation centre for additive manufacturing Switzerland


Wer ist inspire?

Die inspire AG ist als strategischer Partner der ETH Zürich das führende Schweizer

Kompetenzzentrum für den Technologietransfer zur MEM–Industrie.

Sie betreibt Forschung für die Industrie, entwickelt modernste Technologien, Methoden,

Prozesse und löst Probleme auf allen Wissensgebieten der Produktinnovation und

Produktionstechnik.

Inspire ist ein durch den Bund gefördertes Technologiekompetenz Zentrum, entstanden

durch eine gemeinsame Initiative von Swissmem und der ETH-Zürich


Wer ist inspire?

Fields of activity / institutes - Iwf-processes: Grinding, Cutting, EDM, …

- Iwf-machines: Machine Tools, Simulation, Analysis, Improvements

- Iwf-micromachining: Laser- & mikrofabrication

- icams: Additive Manufacturing (SLS, SLM)

- Ipdz: Construction & Design

- Ics: Composite-Structures

- Icmi: Material integrity

- Ifa: Automation, Optimisation, Mechatronic

- Ivp: Virtual production / Forming technology

ETH Zurich

Technopark Zurich, Headquaters

St.Gallen, inspire icams


Forschung für AM seit 1996

– Erstes Forschungszentrum in

der Schweiz / eines der «frühen»

weltweit

– International weltweit eng vernetzt

Inspire-icams

Dienstleistung für die Industrie

1996 2005 2014

Forschung Selective Laser Sintering

Forschung Selective Laser Melting



Inspire-icams

Nasslabor

Trockenlabor



Inspire-icams

SLS & SLM

Forschungsanlagen

Mechanische Material-

prüfung

SLM-Anlagen


Additive manufacturing

– Additive Fertigung mit

– Selective Laser Melting (SLM) Metalle

– Direct Metal Deposition (DMD) Metalle

– Selective Laser Sintering (SLS) Kunststoffe

Keramiken

St.Gallen: Pulverbett-basierte additive

Fertigung

Industrielle Technologien

Fokus von inspire - icams

SLM machine

SLS machine

DMD machine


R&D SLS & SLM

- Materials - Processes

- Applications - Machine concepts

Reverse Engineering

- GOM / Laser Scanning

- CAD / Design

Additive Manufacturing & Prototyping

- Pre-serial

developments

Forschungs-Aktivitäten


Forschungs-Fokus

Materialien Prozesse

SLM Anlagen-Technik

Anwendungen

Standardisierung

ASTM-ISO

Industrielle

Anforderungen

Qualitäts-Management

Systeme

Industrielle

Anwendungen


Forschungs-Fokus in SLS & SLM

Standardisation (ASTM-ISO, VDI)

Materialien

• Pulver-Anforderungen

• Materialien für AM • Legierungen

für AM

• Hybride materialien

• Material Charakteri-sierung

AM-Prozesse

• Prozessfenster für versch. Legierungen

• SLM- / SLS- Prozess Simulation

• Prozess Monitoring

Machine

• AM-Anlagen-konzepte

• Optimierung von Anlagen-komponenten

• Prozessketten

• Qualitäts Management Systeme

Anwendungen

▪ Leichtbau- Strukturen

▪ Struktur- Optimierung

▪ Tooling, mould & die

▪ Vorserien Entwicklung

▪ Industry 4.0

▪ Einbau von Komponenten in Teile


Part II

Equipment


Anlagentechnik

2 x SLM,

5 x SLS

Forschungs-SLM-Anlage

Offene Hard- und Software

Versch. CAD-Software

Bauteil-Optimierung / Design for additive Manufacturing

Konventionelle Fertigung

Schleifen, Schneiden, Drehen, EDM etc.

Strahlen

Equipment


Scanning & Reverse engineering Minolta laser & GOM scanner

Netzwerk: Sehr guter zugang zu CT-scanning

Div. Reverse Engineering Software

Oberflächen-Charakterisierung Optisch mittels GelSight (3D),

3D-Leica DM6 und Alicona System (3D)

Taylor Hobson Profilometer

Wärmebehandlung Ofen bis 1’300°C

Schutzatmosphäre

Zugang zu Vacuum Ofen

Equipment


Material-Charakterisierung Mechanische Eigenschaften:

Statisch/ dynamisch (W&B LFV25)

Härtemessung (LVD-502)

Mikrostruktur Schneiden, Schleifen, Polieren

Ätzen

Diverse Mikroskope z.B. Leica DM6 inkl. z-stage

Voller Zugang zu SEM – EDX, EBSD,

TEM, APT etc.

Equipment


Pulver-Charakterisierung Optische Partikel-Charakterisierung & Laser-Diffraktionsmessung

Dynamische Pulver-Fliessfähigkeit

Mettler DSC / TGA

Bis 350°C ( v.a. für Kunststoffe)

Hoch-Temperatur DSC Für Metalle bis 1’600°C

In evaluation

Equipment


Part III

Einsatzgebiete für die additive Fertigung

(v.a. SLM)


Chancen der additiven Fertigung

Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien

Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

• Gitterstrukturen

• Gewichtsreduktion

bis 60%

• Topologie-Optimierung

• …

Forschungs-Fragen

- Neue Materialien

- Materialeigenschaften

- Auslegung & Optimierung


Beispiele Leichtbau

Instrumenten-Panel PC-6

– Kombination von CFK mit AM

(SLS & SLM)

– Leichter / weniger Teile / bessere

Performance



Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien

Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

• Interne oberflächen-

nahe Temperier Kanäle

• Optimierung der

konventionellen

Produktion durch

bessere Werkzeuge

• …

Forschungs-Fragen

- Integration von Zusatznutzen (Sensorik)

- Anwendung von AM in «neuen» Tooling-Sektoren


ManuNet project «HiperFormTool»

Integration von Schmiermittelzufuhr und Sensorik in Werkzeuge für die Blechumformung

Weitere Tooling-Bereiche stehen in Vorbereitung.

Beispiel Bereich Tooling



• Rasche Fertigung

funktionsfähiger

Prototypen

• Reduktion

Entwicklungs-Riskio

• Funktions-Tests

• Echt-Versuche

• Bessere Produkte

• …

Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien

Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

Forschungs-Fragen

- State of the Art !



• Prototypen

• Instrumente

• Zukünftig:

Implantate mit

optimiertem

mechanischem

Verhalten

• Poröse Strukturen

• …

Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien

Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

Forschungs-Fragen

- Materialeigenschaften

- Qualifizierung von Bauteilen

- Zertifizierung des Prozesses



• Kleinserien ab

Stückzahl 1

• Werkzeuglos

• Mittlere Serien bei

nicht zu grossen

Teilen

• Verschiedene

Varianten

• …

Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien

Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

Forschungs-Fragen

- Serien-Tauglichkeit / Kosten

- Qualifizierung von Bauteilen

- Neue Materialien & Materialeigenschaften


Besi Switzerland AG Chip Cleaning

Entwicklung gemeinsam mit inspire

Produktion heute @ irpd AG

100 – 1000 Teile / Jahr

Beispiel Bereich Kleinserien-Fertigung



• Reduktion Stückliste

• Mehrere Funktionen

in 1 Bauteil integrieren

• Zusammengebaute

Teile

• Integration von

Sensorik

• …

Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien

Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

Forschungs-Fragen

- Einbau von Zusatz-Nutzen (Sensorik)

- Auslegung & Optimierung

- Design 4 AM


Design 4 AM (SLM)

− Weniger

Support-

Strukturen

− Weniger

Material

− Bessere

Funktionalität

Vor- und Nachteile

Quelle: inspire-icams


Turbinen-

Komponen-

ten

Schmuck Dental

Produkte

Tooling /

conf. cooling

Klein-Serien

Einspritzdüse

Schaufeln

«Schöne» /

komplexe Teile

Brücken &

Kronen

Werkzeuge mit

int. Temperierung

Technische Teile

Source: GE Source: inspire

Source:

inspire

Source:

Fraunhofer

Die guten Business Cases heute….

Source:

inspire / irpd AG


Part IV

Typische Materialeigenschaften (SLM)


Übersicht

Materialien

New materials for SLM - Hybrid-Materialien / MMC, …

Gold, Silver, Bronce

div. alloys

Aluminium

AlSi12, AlSi10Mg, Structural alloys

Titan • Ti6Al4V, Ti-Grade 2, …

Ni-Basis

IN738, IN718, IN625, H230,…

Fe-Basis

1.4404 / 1.4509 / 1.4542, 1.2709, u.v.m.

Neue, SLM-spezifische

Legierungen und Materialsysteme

Leichtbau / Space / Luftfahrt

Maschinenbau, Prototyping,

Medizinaltechnik

Medizinaltechnik, Space

Turbinenbau

Schmuck


Materialien @ inspire-icams (z.B. projekt-spezifisch)

Base Types Applications

Fe-base • 1.4404 / 316L

• 1.4542 / 17-4PH

• 1.4313

• 1.2709

• U.a.

• Machinery, Prototyping

• Machinery, Prototyping

• Turbine industry

• Tooling industry

Ni-base • IN625

• IN718

• ( IN738LC )

• Haynes230





Al-base • AlSi12

• AlSi10Mg

• (neue) Struktur-Legierungen

• Casings, lightweight

• Aerospace, Space, Lightweight


Ti-base • Ti grade 5 (Ti6Al4V)

• Ti grade 2


• Medical applications

Bronze • Cu90Sn10 • Jewellery, Vacuum applications

Hybride • Diff. Hybride materials • R&D-stage

Materialien


Dichtheit (für «gut» verarbeitbare Legierungen)

– As-processed

– Typ. Materialdichte <= 99.5%

– Rest-Poren sind in aller Regel

vorhanden

– Anlagentechnik spielt hier eine

wesentliche Rolle!

– Gas-Dichtheit ist für ausreichende Wändstärken

gegeben

– Z.B. >1.0 bis 1.5mm bei Edelstahl

– Z.B. Bronze: Heliumdicht ( 7 10-10 mbar(ls)-1)

– Nachverdichtung möglich (HIP)

Material-Eigenschaften

Anbindungsfehler

Pore

Pore


Mechanisch

– Statisch

– i.R. vergleichbar z.B. zu Guss

– Anisotropie, typ. 5% - 15%

– Materialabhängig

– Dynamisch

– Typisch 15% - 20% geringer als

vergleichbares Material

– Anisotropie

– Materialabhängig


Spierings, A.B., et al. Fatigue performance of Additive

Manufactured metallic Parts. 2013, Rapid Prototyping Journal,

19(2): p. 88-94.


Mikrostruktur

– Abhängig von der Legierungszusammensetzung

und den Prozessbedingungen!

– ABER

– i.R. kolumnare Erstarrung (je nach Legierung)

Sehr lange, aber dünne Körner

(Bsp. 1.4404)

Textur

Ursache der Anisotropie !

(Hall-Petch)


IN718, xy-Scanebene, geätzt

Edelstahl Typ 1, xy-Scanebene, geätzt Edelstahl Typ 2, xz-Scanebene, geätzt


Part V

Forschungs-Fragen @ inspire-icams (SLM)


Worum was geht es uns?

Qualitäts-Management Systeme in der SLM-Prozesskette

– Vom Pulver zum fertigen Bauteil…

– Viele Einflussparameter in allen Unter-Prozessen

– Gegenseitige Beeinflussung der Parameter

37


Integrität Poren

Anbindungsfehler

Mikrostruktur Korngrössen

Textur

Material Eigenschaften Mechanische Eigenschaften

Anisotropie

Korrosionseigenschaften

…

Oberflächenstruktur Rauhigkeit / Welligkeit …

Dimensionale Genauigkeit

Qualitäts-Management System


Legierungs-Zusammensetzung Tuning des Verhaltens einer Legierung während dem SLM-Prozess

Ziel: hochfeste Legierungen – möglichst ohne Anisotropie

Pulver-Eigenschaften und -Recycling Zyklus Korngrössenverteilung und Pulver Eigenschaften

….

SLM-Prozessführung Prozessfenster für Legierungen


Prozess-Monitoring

….

SLM-Anlagentechnik Rest-O2 Gehalt, Filterzustand,

Neue SLM-Anlagenkonzepte



Beispiel: Quantitative Pulver-Charakterisierung für SLM

Nahe an den Bedingungen im SLM-Prozess

Qualifizierung von Pulvern

Untersuchung der Einflüsse von Korngrössenverteilung & Feuchte


Spierings, A.B., et al., Powder flowability characterisation methodology for powder-bed-based

metal additive manufacturing. Progress in Additive Manufacturing, 2015: p. 1-12


Beispiel: SLM-Prozess-Fenster für neue Legierungen

Optimierung von

Dichte

Materialqualität

Produktivität

Minimierung von Material- Defekten



Beispiel: Neue Aluminium-Struktur-Legierungen

Fokus derzeit auf Aluminium-Legierungen

Entwicklung neuer Ansätze für ‘bessere’ Legierungen ohne Anisotropie

Prozess-Simulation

Legierungs-Simulation

Legierungs-Herstellung


Bu

ild d

irectio

n

HAADF STEM of grain boundary particle in a

[110] oriented Al grain.

Spierings, A.B., et al. Materials & Design,

2017. 115: p. 52-63.


Beispiel: Anlagentechnik

Offen designte SLM-Forschungs-Anlage

Entwicklung und Optimierung von Anlagen-Komponenten

Rauchgas-Absaugung

Neue Beschichtungs-Systeme

Neue SLM-Prozess Monitoring Ansätze

Entwicklung von zukünftigen, neuen SLM-Anlagen-Konzepten

Neue Laser Scan-Systeme

Neue Beschichtungs-Systeme



Werkzeugbau mit Zusatznutzen

Integration von Temperierung, lokaler Schmiermittel-Zufuhr und Sensorik

ManuNet project «HiperFormTool»

Lubrication supply through porous structures


Part VI

Zusammenfassung


Chancen

Additive Fertigung bietet neue Chancen für Innovation

Additive Fertigung ist eine Ergänzung zu anderen Fertigungsverfahren

Risiken

Bauteile und Anwendungen müssen entwickelt werden – das Gleiche Bauteil einfach über einen “neuen” Prozess zu fertigen lohnt sich nicht.

Additive Fertigung


Materialien

Eigenschaften sind gut, aber z.T. «anders» als konventionelle Materialien

Nicht alle Legierungen sind prozessierbar

Grosses Potential für neue Legierungen!

Qualifizierung

Prozess- und Bauteil-Qualifizierung heute aufwändig und teuer

Neue Lösungen müssen entwickelt werden

Additive Fertigung

Neue Anwendungen

in praktisch allen

Branchen


Inspire & RhySearch bieten

Viel KnowHow mit (neuen) Fertigungsprozessen

Innovationskraft

Zugang zu Fördermitteln, z.B. KTI, EU

Gute Zusammenarbeit

Wie können wir Ihnen helfen?

Welches Thema/ Projekt möchten Sie mit uns starten!


Schweizer Plattform-Struktur im Bereich AM

Sie wollen Sich vernetzen?


SwissMem Swiss Additive Manufactruing Group SAMG

SAMG steht für die Swiss Additive Manufacturing Group und vernetzt

Dienstleister, Anwender, Hersteller und Zulieferer innerhalb der Additiven

Fertigung in der Schweiz und Liechtenstein.

Swissmem trägt damit zu einer nationalen und internationalen

Vernetzung dieser vielfältigen Branche bei.

Ziele und Schlüsselaktivitäten Interessen der Mitglieder bündeln und koordinieren

Wettbewerbsfähigkeit der Mitgliedfirmen nachhaltig stützen

Förderung der Anwendung der Additiven Fertigung

Informationsaustausch unter den Mitgliedern

Förderung von Aus- und Weiterbildung

Wahrung gemeinsamer Interessen gegenüber Industrie, Wissenschaft und Politik

Verfolgung und Mitarbeit an Normung und Gesetzgebung

Sie wollen Sich vernetzen?


A.B. Spierings Head R&D SLM

Lerchenfeldstrasse 5

9014 St.Gallen

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

Besten Dank für die Aufmerksamkeit!

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