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Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 1 1

Pulverbett-basierte Additive Fertigung

metallischer Bauteile

Aspekte der Qualitätssicherung

A.B. Spierings Head R&D SLM

Inspire AG – innovation centre for additive manufacturing Switzerland

Additive Manufacturing @ inspire - icams

Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 2

Abstract

"Selective Laser Melting" eröffnet ungeahnte Möglichkeiten zur

additiven Herstellung metallischer Bauteile für praktisch alle

industriellen Sektoren.

Der Vortrag beleuchtet die Möglichkeiten, aber auch Grenzen der

Technologie, und addressiert Aspekte der Qualitätssicherung."


Agenda

inspire – innovation centre for additive manufacturing

Möglichkeiten der additiven Fertigung –

aber auch Grenzen



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.

Strategischer Partner der ETHZ

Inspire ist ein durch den Bund

gefördertes, unabhängiges Technologie-

kompetenz Zentrum, entstanden durch

eine gemeinsame Initiative von

Swissmem und der ETH-Zürich


Fields of activity / institutes - Iwf-processes: Schleifen, Schneiden, EDM, …

- Iwf-machines: Werkzeuge, Simulation & Analyse, Anlagenoptimierung

- Iwf-micromachining: Laser- & Mikrofertigung

- icams: Additive Manufacturing (SLS, SLM)

- Ipdz: Konstruktion & Design

- Ics: Composite-Structuren

- Icmi: Material-Integrität

- Ifa: Automation, Optimierung von Prozessen

- Ivp: Virtual production / Umformtechnik

ETH Zurich

Technopark Zurich, Headquaters

Inspire-icams, St.Gallen

Wer ist inspire?


Additive manufacturing

– mit

– Selective Laser Melting (SLM) Metalle

– Direct Metal Deposition (DMD) Metalle

– Selective Laser Sintering (SLS) Kunststoffe

Keramik

Industrielle Prozesse und Anwendungen

Focus inspire–icams

SLM Anlage

SLS Anlage

DMD Anlage


Aktivitätsfelder inspire - icams

R&D SLS & SLM

- Materialien - Prozesse - Anlagen-

technik - Anwendungen

Reverse Engineering

- GOM / Laser Scanning

- CAD / Design

Additive Manufactu-

ring & Prototyping

- Vorserien-Entwicklung


Materials • Pulver-

Anforderungen

• Materialien für AM

• Legierungen für AM

• Hybride materialien

• Material Charakterisierung

AM-Processes

• Prozessfenster für versch. Legierungen

• SLM- / SLS- Prozess Simulation

• Prozess Monitoring

Machine

• AM-Anlagen-konzepte

• Optimierung von Anlagen-komponenten

• Prozessketten

• Qualitäts Management Systeme

Applications

▪ Leichtbau- Strukturen

▪ Strukturell optimierte Teile

▪ Werkzeugbau ▪ Integrierte Funktionen / Sensorik

▪ Vorserien- Entwicklung

Standardisation (ASTM-ISO, VDI)

Forschungsfokus in SLS & SLM


Materialien Prozesse

Anlagen Technik

Anwen-dungen

Forschungsfokus in SLS & SLM

Standardisation ASTM-ISO

Industrie

Anforderungen

Quality management systems

Industrielle

Anwendungen


Möglichkeiten der additiven Fertigung – aber auch Grenzen

Wie komme ich zu den guten Cases?


Grundprozess

Funktionsprinzip

Additiv Fertigen – was heisst das?

Definition:

“Additive manufacturing (AM), n – processes of joining materials to make objects

from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive

manufacturing fabrication methodologies.” ASTM

Z

Y

X

CAD model Slice-prozess Schicht-Information Bauprozess

Energie / Laser

Schmelze-

pool


Vor- und Nachteile

Vorteile Nachteile

Keine Hinterschnitte – “alle” Geometrien

möglich

Limitierte Materialauswahl

• insb. bei Kunststoff-Verfahren

• Verfahrensabhängige Materialeigenschaften

Verschiedene Varianten im gleichen

Build-job / Customizing

Finish der Bauteile notwendig /

Oberflächenqualität & Genauigkeit limitiert

Neue optimierte Designs

- Bionisch

- Topologie-optimiert

Typische Seriengrössen ab

Stückzahl 1 – bis 100 / 1000 Stück

Je nach Bauteilgrösse / -Volumen

Funktionsintegration / Reduktion der

Stückliste

Z.T. Support-Strukturen notwendig

Finish-Aufwand


Chancen der additiven Fertigung

Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

• Gitterstrukturen

• Gewichtsreduktion

bis 60%

• Topologie-Optimierung

• …



Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

• Interne oberflächen-

nahe Temperier Kanäle

• Optimierung der

konventionellen

Produktion durch

bessere Werkzeuge

• …



Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

• Rasche Fertigung

funktionsfähiger

Prototypen

• Reduktion

Entwicklungs-Riskio

• Funktions-Tests

• Echt-Versuche

• Bessere Produkte

• …



Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

• Prototypen

• Instrumente

• Zukünftig:

Implantate mit

optimiertem

mechanischem

Verhalten

• Poröse Strukturen

• …



Leichtbau

Tooling

Produktion

kleine /

mittlere

Serien Medizinal-

technik

Funktions-

integration

Prototypen

• 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

• Reduktion Stückliste

• Mehrere Funktionen

in 1 Bauteil integrieren

• Zusammengebaute

Teile

• Integration von

Sensorik

• …


Design for AM / SLM

− Weniger

Support-

Strukturen

− Weniger

Material

− Bessere

Funktionalität

Vor- und Nachteile

Quelle: inspire-icams


Spierings (2013): «Generic Design-Process», EU-SASAM-Project

Part of ASTM-standardisation

Design Approach für die additive Fertigung

Knowhow on

technical &

process-specific

restrictions

required

Fundamental

redesign

approach!


Additive Fertigung erfordert neue Design Regeln

– … Sicher stellen - dass die Anforderungen und Restriktionen der

AM-Prozesse berücksichtigt sind.

– … Ermöglichen - Integration von strukturellen und funktionalen

Optimierungen des Bauteils

– … Vermeiden - zu hohe Fertigungs- und Nachbearbeitungs-Kosten.

– … Korrekte Bauteil-Auslegung - Berücksichtigung spezifischer Materialieneigenschaften

–

− .

Warum & wie additive Fertigung nutzen?


Additive Fertigung in Metall

Die Wahl des richtigen Fertigungs-Prozesses

Abhängig vom

Material

Abhängig von der

Bauteilgrösse

Abhängig von der

Losgrösse

Abhängig von

Bauteil-komplexität

Abhängig von der

notwendigen

Oberflächenqualität


Typische Material-Optionen

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

Gold, Silver, Bronce

Aluminium

Rein-Aluminium, AlSi12, AlSi10Mg, neue Strukturlegierungen

Titanium

• 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 Materialien

Materialkombinationen / MMC

Leichtbau, Flugzeugbau,

Raumfahrt

Maschinenbau, Prototyping,

Medizinaltechnik

Medizinaltechnik, Raumfahrt

Turbinen-Industrie

Schmuck



Worum geht’s eigentlich?


Stand der Technik betr. Qualitätssicherung

Prozess-Überwachung

Online-Monitoring der Schmelzbad- Temperatur oder –Grösse Unzureichend geeignet zur Qualitäts-Sicherung!

CT-Scan des fertigen Bauteils

“Ideal” geeignet, da relevante Defekte identifiziert werden können… ABER: Teuer, und auch Ausschuss wird fertig gebaut

Qualitätssicherung – was bedeutet das?

Berumen, S., et al., Quality control of laser- and powder bed-based

Additive Manufacturing (AM) technologies. Physics Procedia, 2010.

5, Part B: p. 617-622.


Integrität Poren

Anbindungsfehler

Mikrostruktur Korngrössen

Textur

Material Eigenschaften Mechanische Eigenschaften

Anisotropie

Korrosionseigenschaften

…

Oberflächenstruktur Rauhigkeit / Welligkeit …

Dimensionale Genauigkeit


Legierungs- Zusammen-

setzung

Pulver- (-Recycling)

SLM-Prozess

SLM- Anlage

Post-Processing

Integrität (Defekte)

Mikro-struktur

Material Eigenscha

ften

Ober-flächen- Eigen-schaf-

ten

Dimensions Genauig-

keit


Legierungs-Zusammensetzung

Tuning des Verhaltens einer Legierung während dem SLM-Prozess

Pulver-Eigenschaften und -Recycling Zyklus

Korngrössenverteilung und Pulver Eigenschaften

….

SLM-Prozessführung

Prozessfenster & -Monitoring

….

SLM-Anlagentechnik

Rest-O2 Gehalt, Filterzustand, …



Legierungs- Zusammen-

setzung

Pulver- (-Recycling)

SLM-Prozess

SLM- Anlage

Post-Processing

Monitoring aller relevanter Prozess- und Einflussgrössen

Aufbauend darauf: Regelung des Schmelze-Pools

Steuerung des Energie- Eintrages zur Optimierung von Mikrostruktur, und Oberflächen-Qualität (z.B. in Überhangbereichen)


Monitoring aller

relevanter

Prozess- und

Einfluss

grössen

Aussage über Reproduzierbarkeit & Wiederholbarkeit des Prozesses


… unser übergeordnetes Thema bei inspire-icams

Ziel: Aufbau von Kenntnissen betr. Einflüssen in der gesamten Prozesskette

Qualitätssicherung


Bewertung der Fliessfähigkeit von Metallpulver

Nahe an den Bedingungen im SLM-Prozess

Qualifizierung von Pulvern

Beispiele: Pulver

Spierings, A.B., et.al, Powder flowability characterisation methodology

for powder-bed-based metal additive manufacturing. 2015, Progress in

Additive manufacturing: p. 1-12.


Untersuchung makroskopischer Materialeigenschaften

Mechanische Eigenschaften (statisch / dynamisch)

Charpy Impact Eigenschaften

Bruchzähigkeit

Korrosionsverhalten

…

Beispiele: Material-Eigenschaften

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

Manufactured metallic Parts. 2013, Rapid Prototyping

Journal, 19(2): p. 88-94.


Verständnis Einflüsse von Legierungszusammensetzung

Fokus derzeit auf Aluminium-Legierungen

Entwicklung neuer Ansätze für ‘bessere’ Legierungen

Prozess-Simulation

Legierungs-Simulation

Beispiele: Legierungen und Mikrostruktur

Bu

ild d

irectio

n


Turbinen-Bau Schmuck Dental-Produkte Werkzeubau /

Conformal cooling

Produktion kleiner

bis mittlerer Serien

/ Maschinenbau

Einspritzdüse

Turbinenschaufeln

Schöne & Komplexe

Teile

Zahnbrücken & -

Kronen

Interne Kühlung /

Temperierung

Technische Teile

Source: GE Source: inspire

Source:

inspire

Source: Fraunhofer

Die guten Business-Cases heute…

Source: inspire / irpd AG

& morgen?


A.B. Spierings Head R&D SLM

Lerchenfeldstrasse 5

9014 St.Gallen

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

Vielen Dank für Ihe Aufmerksamkeit

Unser PhD-Team

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