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