3D-Druck - IHK Heilbronn- · PDF file8 • 1987 – Stereolithographie Verfahren (3D...
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© Fraunhofer IGD 3D Druck ----- Stand der Technik und Perspektiven
3D-Druck Stand der Technik und Perspektiven
Quelle: site.ge-energy.com
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Überblick
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Einführung in den 3D Druck
3D Druck Technologien
• Fused Deposition Modeling (FDM) • Selektives Lasersintern / -schmelzen (SLS/SLM) • Binder-Jetting (3DP) • Stereolithographie (SL) • Multi Jet Modeling (MJM)
Markt
Vorstellung / 3D Druck am Fraunhofer IGD
Ausblick
Mechanische Eigenschaften
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67 Institute und Forschungseinrichtungen
Mehr als 23 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
Forschungsvolumen 2 Milliarden Euro
Rund zwei Drittel erwirtschaftet Fraunhofer aus Aufträgen der Industrie und öffentlich finanzierten Forschungsprojekten
Rund ein Drittel Grundfinanzierung
Internationale Niederlassungen: Kontakt zu den wichtigsten Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen
»Fraunhofer-Linien«
IGD
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Die Fraunhofer-Gesellschaft
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235 Mitarbeiter (FTE) 17 Mio € Budget 4 Standorte Darmstadt, Rostock, Graz und Singapur 14 F&E-Abteilungen für angewandte Forschung in Visual Computing und die Nutzbarmachung von Forschungsergebnissen in der Wirtschaft
Die weltweit führende Einrichtung für angewandtes Visual Computing
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IGD
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Fraunhofer IGD (Stand 2013)
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Optische Material-
eigenschaften
+
Graphischer 3D-Druck
3D-Gittermodell (STL-Datei…)
Universeller “Druckertreiber”
Reproduktion
System Druckertreiber
3D-Drucksystem
• Neue Algorithmen + Software • Weitgehend unabhängig vom
verwendeten Druckverfahren
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Graphischer 3D-Druck
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www.cuttlefish.de
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Was ist 3D Druck / Additive Fertigung?
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Abtragende Verfahren Gießprozesse Additive Fertigung
• Entfernen von Material • “Top-Down” Prinzip • Benötigt Werkzeuge
• Objekt aus einem Teil gegossen
• Verflüssigtes Material • Benötigt Formwerkzeuge
• Schichtweises Auftragen von Material
• “Bottom-Up” Prinzip • Benötigt keine
zusätzlichen Werkzeuge Quelle: PTW, TU Darmstadt
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Geschichte des 3D Drucks
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• 1987 – Stereolithographie Verfahren (3D Systems - Chuck Hull) • 1991 – Fused Deposition Modeling Verfahren (Stratasys)
• 1995 – Erste metallverarbeitende Laserschmelzanlagen
• 1996 – Erste Binder Jetting Anlagen (ZCorp)
• 2000 – Erste Multi Jet Modeling Systeme (Objet)
• 2009 – FDM Patent von Stratasys läuft aus
-> FDM-basierte Consumer Drucker erscheinen (< $ 5000)
• 2012 – Internet 3D-Druckportale starten
• 2013 – Ca. 75000 3D-Drucker weltweit
Quelle: Wohlers Report
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Consumer 3D Druck
Bioprinting
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Hype-Zyklus - 3D Druck - (Gartner 2013)
Erwartungen
Zeit
Innovation Gipfel
überzogener Erwartungen
Tal der Ernüchterung
Anstieg der Erleuchtung
Plateau der Produktivität
Professioneller 3D Druck
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Additive vs. Konventionelle Fertigung
Additiv
Konventionell
Anzahl Teile
Kost
en P
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Keine Mehrkosten durch Individualisierung
Additiv
Konventionell
Kompexität Ko
sten
Pro
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Keine Mehrkosten durch höhere Komplexität
Quelle: PTS, TU Darmstadt
Nachteile Additiver Fertigung • Langsame Bauraten -> Keine Massenproduktion • Begrentztes Bauvolumen • Oft Nachbearbeitung notwendig
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Quelle: Roland Berger / Müller-Lohmeier (Festo AG)
Konventionell Additiv
Produktionsvorgegebenes Design
Additive vs. Konventionelle Fertigung
Designvorgegebene Produktion
Paradigmenwechsel
• Funktionsintegration • Teilereduzierung • Reduzierter Montageaufwand • Neue Designs, z.B. Leichtbau:
Beispiel: Leichtbau 1 kg Gewichtsersparnis -> 45000 Liter Ersparnis an Kerosin über die Betriebsdauer eines Airbus A380
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Prozesskette - Additive Fertigung
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Post-Processing Bauprozess
Bauprozessvorbereitung
3D-Modell (CAD / 3D Scan,
etc.)
Konvertierung in STL Datei
STL = Standard Tessellation Language
• Orientierung • Stützstruktur • Slicing
Maschinen-vorbereitung
Physische Herstellung
Entnahme des physischen
Modells Nachbearbeitung
Nutzung des physischen
Modells
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Fest Flüssig Gasförmig
Draht Pulver Folie
Aufschmelzen und Erstarren
Verfestigen durch Binder
Aufschmelzen und Erstarren
Fused Deposition Modelling (FDM)
Selective Laser Melting (SLM)
3D-Printing (3DP)
Ausschneiden und Fügen
Ausschneiden und
Polymerisiere Solid Foil Poly-merisation (SFP)
Layer Lami-nated Manuf-acturing (LLM)
Klassifizierung der 3D Drucktechnologien
Quelle: Gebhardt 2000 (abgewandelt)
Polymerisieren Chemische Reaktion
Licht einer Frequenz
Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD)
Lampe Laserstrahl Holographie
Solid Ground Curing (SGC)
Stereolitho-graphie (SL)
Holographic Interference Solidification (HIS)
Wärme Licht zweier Frequenzen
Beam Inter-ference Soli-dification (BIS)
Thermal Poly-merisation (TP)
Lampe und Tintenstrahl
Multi-Jet Modeling (MJM)
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Fused Deposition Modeling (FDM)
Quelle: http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling
Quelle: www.3ders.org
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Fused Deposition Modeling (FDM)
• Große Materialpalette (Kunststoffe – z.B. Thermoplastics ABS, Polycarbonate , niedrigschmelzende Metalle)
• Verdrucken von großen Volumenmengen in kurzer Zeit möglich
• Verwendung unterschiedlicher Materialien durch mehrere Extruder
• Auflösung abhängig von Extrusionsbreite (große Extrusionsbreite -> Hohe Baurate -> geringe Auflösung)
• Düsen neigen zum Verstopfen (Reinigungsmechanismen notwendig)
• Stützkonstruktionen notwendig -> Nachbearbeitung
Vorteile
Nachteile
Quelle: Gebhardt, 2013
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Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM)
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering
Quelle: http://www.axishello.com/index.php/Laser_Sintering.html
• Typische Korngrößen: 20-100µm • Baugeschwindigkeit: 5-20 cm3/h
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• Große Materialpalette: Kunststoffe (Polyamide, Polystyrole), Metalle (Stahl-, Aluminium-, Nickel-, Cobalt-,Titan-Legierungen), Metall-Polymerpulver, Sande (Quarzsande, Zirkonsande)
• Erzeugen von mechanisch + thermisch stark belastbaren Teilen möglich
• Hohe Wiederverwendungsrate des thermisch nicht belasteten Pulvers
• Stützkonstruktion bei Metall nötig (Überhänge, Ableiten von thermischer Energie) (bei Kunststoffen nicht notwendig) –> Nachbearbeitung
• Zum Bauteil nicht gehörige Partikel können durch Wärmeleitung an dem Bauteil kleben bleiben (kleine Kanäle schwer zu reinigen)
• Gas-Atmosphäre notwendig um Oxidation zu verhindern -> hohe Betriebskosten
• Pulverbett muss beheizt werden -> zeitintensive Aufheiz und Abkühlvorgänge
• Spannung im Objekt durch hohe Temperaturdifferenzen bei der Fertigung
Vorteile
Nachteile
Quelle: Gebhardt, 2013
Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM)
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Binder-Jetting (Pulver-Tintenstrahl Druck)
Quelle: http://www.dreams.me.vt.edu
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Binder-Jetting (Pulver-Tintenstrahl Druck)
• Materialpalette nahezu unbegrenzt (z.B. Lebensmittel, pharmazeutische Stoffe)
• Verwendung verschiedener Binder -> lokal unterschiedliche mechanisch/optische Eigenschaften
• Große Palette von Bindern (z.B. Wasserbasiert/Kunstharze/ lebende Zellen in Trägerflüssigkeit)
• Gestaltfestes aber nicht endfestes Bauteil (Nachbearbeitung durch Infiltration)
• Metallische Pulver: Binder wird im Postprozessing ausgetrieben + Bauteil im Ofen nachversintert -> Schrumpf
• Druckköpfe teuer + hohes Ausfallrisiko bei vielen Düsen
Vorteile
Nachteile
Quelle: Gebhardt, 2013
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Stereolithographie (SL)
Quelle: http://www.custompartnet.com/wu/stereolithography
• Typische Schichtdicken: 10-100µm
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Stereolithographie (SL)
• Sehr hohe Auflösung (begrenzt durch den Strahldurchmesser – bis in den nm-Bereich)
• Hohlräume möglich mit lediglich sehr kleiner Drainageöffnung
• Objekte übersteigen Bauraumabmessungen -> drucken in Teilen + zusammenkleben mit dem gleichen photosensiblen Material + externer UV-Strahlungsquelle -> mechanische und visuelle Eigenschaften der Trennstellen kaum von den des restlichen Bauteils unterscheidbar
• Kleine Materialpalette (Harze, Acrylate)
• Zweistufiger Prozess: 1. Druck -> 95% Vernetzung 2. Reinigung mit Lösungsmittel
+ vollständige Aushärtung in einer Kamer mit UV-Beleuchtung
• Stützkonstruktionen notwendig -> Nachbearbeitung
Vorteile
Nachteile
Quelle: Gebhardt, 2013
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Multi Jet Modeling (MJM)
Quelle: http://blog.nus.edu.sg/u0804594/common-rp-techniques/e-polyjet/
Quelle: studiofathom.com
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• Mehrere Materialien mit unterschiedlichen mechanischen / optischen Eigenschaften in einem Objekt kombinierbar -> “Digitale Materialien” mit neuen Eigenschaften
• Sehr hohe Auflösung
• Große Bauräume möglich
• Kleine Materialpalette (Photopolymere)
• Stützkonstruktionen notwendig -> Nachbearbeitung
• Druckköpfe teuer + hohes Ausfallrisiko bei vielen Düsen
Vorteile
Nachteile
Multi Jet Modeling (MJM)
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Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften vom Prozess
Selective Laser Sintern Extruder-basiert
Dichte [g/cm3]:
E-Modul [MPa]:
Bruchdehnung [%]:
Zugfestigkeit [MPa]:
Schmelzpunkt [°C]:
Bauteile aus Polyamid
0,91 1,14 1400 1500 30 37 35 78 184-186 184-186
Quelle: Fraunhofer IPK
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Marktgröße Weltweit (Wohlers Report 2013) (Umsatz aller Produkte + Dienstleistungen)
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Zurzeit noch ein Nischenmarkt (Marktgröße 2012: $ 2,2 Milliarden)
Sehr starkes Umsatzwachstum (Ø 2010-2012: 27,4%/p.a.)
Dienstleistungen gewinnen an Bedeutung (Marktgröße 2012: $ 1,2 Milliarden, Marktwachstum 2012: 36,6%)
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0,5
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1,5
2,0
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2012201120102009200820072006200520042003
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Umsatz nach Branchen (Roland Berger/ Wohlers 2013) (Umsatz aller Produkte + Dienstleistungen)
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250
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350
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Mill
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Consumer Produkte / Elektronik
Automobil Medizin Luft und Raumfahrt
Werkzeugbau Sonstige
Prototyping Produktionswerkzeuge
Prototyping Motorsport
Zahnmedizin (Brücken, Kronen, Zahnspangen) Hörgeräte Implantate
Turbinenteile Leichtbauteile
Gussformen Direct Tooling
Militär, Architektur, Konsum
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Objet 14%
Stratasys 39%
Solidscape 4%
3D Systems 18%
EOS 2%
Envisiontec 11%
Beijing Tiertime
2%
Others 10%
Nach Herstellern in 2012
Verkaufte professionelle 3D Drucker (Wohlers 2013)
Aus Region in 2012
Stratasys hat mit Objet und Solidscape fusioniert
Europa 19% Asien
5% Israel 15%
USA 61%
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Anwendungen für 3D Druck
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Präsentationsmodelle
Quelle (Prozentangaben): PTW, TU Darmstadt
Quelle: www.fabbaloo.com
Quelle: 3D Systems
Rapid Prototyping Rapid Manufacturing
17,4%
Funktionsmodelle 19,5%
Werkzeugbau
Quelle: www.ems-usa.com
Quelle: www.asiga.com
26%
Direct Manufacturing 29%
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Rapid Manufacturing “Readiness Level”
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Quelle : Roland Berger
Produktion bei Vollauslastung
Produktion bei Teilauslastung
Fähigkeit einer Pilotlinie demonstriert
Produktion in Produktionsumgebung validiert
Produktionssysteme hergestellt
Grundfähigkeiten beweisen (Produktionsnah)
Technologie im Labor validiert
Machbarkeitsstudie durchgeführt
Produktionskonzept identifiziert
Funktionsprinzip identifiziert
Medizin Werkzeugbau Luft +
Raumfahrt Automobil
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• Vergrößerung der Bauräume (-> größere Teile, mehr Teile gleichzeitig)
• Erhöhung der Baugeschwindigkeit + Verbesserung der Auflösung (z.B. SLS/SLM: variabler Laserfokus, mehrere Laser 400W und 1000W)
• Kombination unterschiedlicher Materialien in einem Objekt
• Optimierung der Druckmaterialien (mechanische / optische Eigenschaften, Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands, z.B. lösliches Stützmaterial)
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3D Drucker
Markt
• Anhaltend sehr hohes Wachstum in den nächsten Jahren - Canalys Prognose 2018: $ 16.2 Mrd. (Dienstleistungen $ 10 Mrd.)
• Große Firmen betreten den Markt (HP, Canon)
• Dienstleister werden 3D Druck in den Alltag bringen ( “iTunes” für 3D Modelle)
Ausblick
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Dr. Philipp Urban Abteilungsleiter 3D-Drucktechnologie Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD Fraunhoferstr. 5, 64283 Darmstadt Tel.: +49 (0) 6151 155 250 Fax: +49 (0) 6151 155 480 [email protected]
Fragen?
Dank an Herrn Müller-Lohmeier (Festo AG) für seine Folien.