pulverbett-basierte additive fertigung metallischer bauteile · spierings, adriaan © 2017 inspire...
TRANSCRIPT
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."
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 3
Agenda
inspire – innovation centre for additive manufacturing
Möglichkeiten der additiven Fertigung –
aber auch Grenzen
Aspekte der Qualitätssicherung
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 4
Inspire AG
Innovation centre for additive manufacturing Switzerland
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 5
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 6
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?
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 7
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 8
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 9
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 10
Materialien Prozesse
Anlagen Technik
Anwen-dungen
Forschungsfokus in SLS & SLM
Standardisation ASTM-ISO
Industrie
Anforderungen
Quality management systems
Industrielle
Anwendungen
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 11
Möglichkeiten der additiven Fertigung – aber auch Grenzen
Wie komme ich zu den guten Cases?
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 12
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 13
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 14
Chancen der additiven Fertigung
Leichtbau
Tooling
Produktion
kleine /
mittlere
Serien Medizinal-
technik
Funktions-
integration
Prototypen
• Gitterstrukturen
• Gewichtsreduktion
bis 60%
• Topologie-Optimierung
• …
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 15
Chancen der additiven Fertigung
Leichtbau
Tooling
Produktion
kleine /
mittlere
Serien Medizinal-
technik
Funktions-
integration
Prototypen
• Interne oberflächen-
nahe Temperier Kanäle
• Optimierung der
konventionellen
Produktion durch
bessere Werkzeuge
• …
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 16
Chancen der additiven Fertigung
Leichtbau
Tooling
Produktion
kleine /
mittlere
Serien Medizinal-
technik
Funktions-
integration
Prototypen
• Rasche Fertigung
funktionsfähiger
Prototypen
• Reduktion
Entwicklungs-Riskio
• Funktions-Tests
• Echt-Versuche
• Bessere Produkte
• …
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 17
Chancen der additiven Fertigung
Leichtbau
Tooling
Produktion
kleine /
mittlere
Serien Medizinal-
technik
Funktions-
integration
Prototypen
• Prototypen
• Instrumente
• Zukünftig:
Implantate mit
optimiertem
mechanischem
Verhalten
• Poröse Strukturen
• …
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 18
Chancen der additiven Fertigung
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
• …
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 19
Chancen der additiven Fertigung
Leichtbau
Tooling
Produktion
kleine /
mittlere
Serien Medizinal-
technik
Funktions-
integration
Prototypen
• Reduktion Stückliste
• Mehrere Funktionen
in 1 Bauteil integrieren
• Zusammengebaute
Teile
• Integration von
Sensorik
• …
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 20
Design for AM / SLM
− Weniger
Support-
Strukturen
− Weniger
Material
− Bessere
Funktionalität
Vor- und Nachteile
Quelle: inspire-icams
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 21
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!
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 22
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?
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 23
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 24
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 26
Aspekte der Qualitätssicherung
Worum geht’s eigentlich?
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 27
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.
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 28
Integrität Poren
Anbindungsfehler
Mikrostruktur Korngrössen
Textur
Material Eigenschaften Mechanische Eigenschaften
Anisotropie
Korrosionseigenschaften
…
Oberflächenstruktur Rauhigkeit / Welligkeit …
Dimensionale Genauigkeit
Qualitätssicherung – was bedeutet das?
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 29
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, …
Qualitätssicherung – was bedeutet das?
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 30
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)
Qualitätssicherung – was bedeutet das?
Monitoring aller
relevanter
Prozess- und
Einfluss
grössen
Aussage über Reproduzierbarkeit & Wiederholbarkeit des Prozesses
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 31
… unser übergeordnetes Thema bei inspire-icams
Ziel: Aufbau von Kenntnissen betr. Einflüssen in der gesamten Prozesskette
Qualitätssicherung
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 32
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.
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 33
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.
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 34
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
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 35
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?
Spierings, Adriaan © 2017 inspire AG 36
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