3d-druck mit neuen technologien zu profitablen … · 1 status: additive produktion und fraunhofer...
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Diesen Kasten nicht löschen (ist für die Funktion der Folie wichtig)
3D-DRUCK – MIT NEUEN TECHNOLOGIEN ZU PROFITABLEN ANWENDUNGEN
Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO, Fraunhofer IAPT
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AGENDA
1 Status: Additive Produktion und Fraunhofer IAPT
2 Industrielle Entwicklungen für einen profitablen 3D-Druck
3 Technologietransfer in Hamburg für den 3D-Druck
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AM-Kompetenz: Führende Erfahrung und Meilensteine
Quelle: AIRBUS
Erstes additiv gefertigtes Metallbauteil der zivilen Luftfahrt
Finalist beim “Innovationspreis der deutschen Wirtschaft“ 2014
3-D-Druck im zivilen Flugzeugbau – eine Fertigungsrevolution hebt ab
Deutscher Zukunftspreis 2015 – In den „Kreis der Besten“ ernannt
Weltgrößtes 3D-gedrucktes Titanbauteil!
Materialica Design + Technology Award 2016
Next Generation Spaceframe
2017/18: Einzug in die automobile Serienfertigung
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Fraunhofer IAPT und Metall 3D-Druck erreichen den Mars
Ziel: „Elysium Planitia“ auf dem Mars
Distanz: 500 Millionen Kilometer
Flugdauer: 6 Monate und 21 Tage
Miss ion des InSight Mars Lander:
Erforschung der frühsten Entwicklungsprozesse, die den Mars und andere Gesteinsplaneten wie die Erde formten
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Source : NASA „Radiometer“-Bracket Source : DLR
Fraunhofer IAPT „Radiometer“ Titan-Leichtbau-Halterung aus dem 3D-Druck landet erfolgreich auf dem Mars
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Leitbild des Fraunhofer IAPT
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Vis ion
» Wir sind erster Ansprech-partner für die Entwicklung industrieller Lösungen in den additiven Produktions-technologien «
Miss ion
» Unsere Mission ist es, die additive Produktion zu industrialisieren und dadurch die Produkte der Zukunft ressourceneffizient zu gestalten «
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Das langfristige Wachstum der additiven Fertigung liegt in der Produktion, die neue Herausforderungen zu meistern hat
AM Ratenprognose für den gesamten adressierbaren Herstellermarkt
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Additive Herstellungskosten
2016 2020 2025 >2035
> $13B ~$15B ~$17B >$23B
$1M (0%) $45M
(0.3%)
$350M (1,5%)
Totale Herstellungskosten > $ 350M
[Source: BCG Additive Manufacturing Report 2018]
Anwendungs- und Materialspezifisch
Anpassung der speziellen Anwendungen an den industriellen Standard
Wettbewerbsfähigkeit
Bieten einer Alternative zur konventionellen Fertigung
Hoher Durchsatz und kurze Zeit-zu-Bauteil
Rechtzeitige Produktion von verschiedenen Bauteilen mit einem Volumen von 1000´s-100.000´s im Jahr
Dauerhafte Qualität und Kontrolle
Zuverlässige und reproduzierbare Fertigung zur Erhöhung der Verfügbarkeit, Leistung und Qualität
24/7 Service und Konnektivität
Hohe Auslastung und kurze Ausfallzeiten bei einem 24/7 Service und Datenerfassung für die vorausschauende Wartung
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Additive Manufacturing - Herausforderungen für die Markteinführung
Stückkosten
Losgrößen Gering Prototypen und Kleinserie Ersatzteile
Mittel Mittlere Serien (z.B. Luft- und
Raumfahrt, Maschinenkomponenten)
Hoch Großserienproduktion
(z.B. Automobilkomponenten)
Zukunft: Verschiebung der Amortisationsschwelle…
Erhöhte Produktionsgeschwindigkeit von additiven Fertigungsanlagen
Kostenreduzierung von Metallpulver Automatisierte Prozesse …
Konventionelles Gießen
Konventionelles Zerspanen
Bestehende Komponenten Hohe Komplexität Reduzierung der Zykluszeit (Bionisches) Redesign Funktionsintegration Gewichtsreduzierung …
Bauteilkomplexität B
A C
Reduzierung der Maschinenkosten
Reduzierung der Rüstkosten
…
Geringe Losgrößen
Additive Fertigung
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Additive Experten - AM-Supply Chain vom Feinsten!
AM
Design
AM
Process
AM
Factory
AM
4.0
Märkte
Entwicklungs-kompetenzen
Forschung und industrielle
Qualifizierung
Additive Academy Additive Alliance
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Automatisierte Bauteilidentifikation und –optimierung Das volle Potential des AM ausschöpfen
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AM Part
Leichtbau
Topologie Optimierung
AM Restriktionen
Wärme-transport
Topologie für optimale Wärmeübertragung
Strömungs- optimierung
Optimierung für AM
AutoPartIO
Erweiterbare Toolbox für AM Design
Innovative Features
Transparenz von Daten
Bionisches Design
Feature Integration AM
Design
Hürden
Herstellungsprozess wird nicht betrachtet
AM Design verlangt Umdenken
Steile Lernkurve
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Bauteil- und defektspezifische Lebensdauervorhersage Der Weg zur automatisierten Lebensdauervorhersage
1. Prozessüberwachung/ Datenkette
2. Fehlereinflusssimulation 3. Lebensdauervorhersage
Simulation
Fehlertoleranzgrad
Lage Form
Größe
4. Automatisierung
F
Lebensdauerprognose
Validierung
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Fraunhofer IAPT - Technologien - unabhängig und umfassend
SLM 250HL
(SLM Solutions)
AconityLAB
(Aconity)
TruPrint 1000 (Trumpf)
SLM 500HL (SLM Solutions)
Concept M2 (Concept Laser)
EOS M290 (EOS)
EOS M 270
(EOS)
Metall (Pulverbett) Metall (Pulver / Draht / Düse)
TruLaser Robot 5020
(Trumpf)
Arcam A2X
(Arcam)
ORLAS Cube
(OR Laser)
CMT
(Fronius)
Kunststoff
Welding Portal
(Cloos)
AM S5500P (Ricoh)
EOS P396 (EOS)
EOS P390
(EOS)
Quelle: SLM Solutions, Concept Laser, EOS, Trumpf, Ricoh, Aconity, LZN, Arcam, Fronius
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Kunststoffe Metalle
Additive Fertigungstechnologien
Pulverbett-verfahren
Düsenbasierte Verfahren
Laserdraht-auftrag-
schweißen
Laserpulver-auftragschweißen
Lichtbogen-auftragschweißen
Pulverbett-verfahren
Düsenbasierte Verfahren
Selektives Lasersintern
Multi Jet Fusion
Poly Jetting
Kunststoff FDM
Metall FDM
Lichtaushärtende Verfahren
Stereolitho-graphie
Continuous Liquid Interface
Production (CLIP)
Laserstrahl-schmelzen
Elektronen-strahlschmelzen
Binder Jetting
Geplant am IAPT Verfügbar am IAPT
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Laserpulver-auftragschweißen
Laserstrahl-schmelzen
Binder Jetting
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Aufbaurate in cm³/h
Kunststoffe
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Au
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Aufbaurate in cm³/h
Metalle
Vergleich der Additiven Fertigungstechnologien
LBM
Metall FDM
EBM
Binder Jetting
WAAM LMD
Multi Jet Fusion
Poly Jetting CLIP
FDM
SLS
SLA
Maschinenkosten
> 1 Mio € > 0.5 Mio € > 0.25 Mio € > 0.1 Mio € > 250 k€ > 200 k€ > 100 k€ > 50 k€
Maschinenkosten:
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Bionic Smart Factory 4.0 – Arbeitsablauf für AM-BSF 4.0
Pulverhandhabung
Materialfluss
AM Modul
Teileentfernung
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AM – Factory: Mega 4.0
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Multi-
Generiersystem
Keine manuelle Arbeit
Expandier-barer Bauraum
Integrierte QS-Lösung
Hochleistungs-verfahren
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AM – 4.0: Smart Plattform für die Automatisierung der Datenprozesskette
Parts on Demand
Angebotskalkulation
Technologievergleich (additive Produktion vs. Guss und Zerspanung, stückzahlabhängig)
CAD Dateiupload Bestellabwicklung in der Cloud
Online Services
Daten- vorbereitung
Smart Platform: Schnittstelle
Additive Produktion
Nach- bearbeitung
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AM – 4.0: Cyber-physische Prozesskette und Netzwerkbildung Digitaler Zwilling
Möglichst Abdeckung der gesamten Prozesskette
Hauptziel: Verbesserung der Effizienz
Entwicklung eines Digitalen Zwillings:
Erstellung eines umfassenden, ganzheitlichen Anforderungsprofils
Aufschlüsselung abschöpfbarer Daten
Priorisierung der geforderten Funktionalitäten
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Weitergehende Modellentwicklung
Entwicklung des objektorientierten Datenmodells
Vergleich/Evaluierung des Datenmodells zum Grad der Umsetzung in aktuellen Systemen
Erörterung der notwendigen Kommunikationskanäle/Wechselwirkungen Vernetzung
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Status und Zukunft für IAPT-Produktstrategie
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Schulung
+ sinkende Kosten
+ Zeitersparnis
+ effizientere Materialnutzung
+ erhöhte Funktionalität
Suchen
Finden Veredeln
Produzieren
Vermarkten
Material- & Prozessquali-
fizierung
Lieferanten-qualifizierung
Fabrikplanung
System- entwicklung
Part Screening
Ersatzteile
Part Engineering
Strategie-beratung
Industrie-arbeitskreis
Bremssattelfoto: © 2018 Bugatti Automobiles S.A.S.
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AGENDA
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1 Status: Additive Produktion und Fraunhofer IAPT
2 Industrielle Entwicklungen für einen profitablen 3D-Druck
3 Technologietransfer in Hamburg für den 3D-Druck
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Charakteristika
Guss
Qualität
• Große Materialauswahl
• Sehr große Designfreiheit
Kosten
LBM
Zeit
LBM – Laserstrahlschmelzen
iLAS & IAPT (GenFLY Project)
iLAS TUHH
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Bionic Aircraft – Next Generation LBM Anlage
M-S
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Bionic Aircraft Testanlage Angepasste Laserstrahlformung kann die Produktivität und Effizienz um 20% steigern
Aufheizen des Bauraums auf bis zu 500°C um thermische Spannungen zu reduzieren
Vakuumoption für sehr hohe Reinheit
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The research related to the BionicAircraft project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no 690689.
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AM Fuel Connector – Beispiel für Bauteil-Integration
Anzahl der Bauteile reduziert von 14 auf 1
Anzahl der Prozessschritte von 18 auf 5
Reduzierung der Fertigungskosten um 50%
0
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Parts Process Steps Costs
No
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Conv. Design AM Design
Integral AM Design
Konventionelles Design
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Bauteile Prozessschritte Kosten
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Erster Achtzylinder-Monoblock-Bremssattel aus dem 3D Drucker
Eine Kooperation zwischen Bugatti, Bionic Production AG und Fraunhofer IAPT
Entworfen von Bugatti, vorbereitet und gedruckt am Fraunhofer IAPT
Der Bremssattel soll in diesem Jahr für die Serienproduktion getestet werden
Hergestellt auf SLM500 HL mit vier 400-Watt-Lasern
2.213 Schichten ~ 45h Druckzeit
größtes 3D-gedrucktes funktionales Titanteil
410 mm × 210 mm × 136 mm
Material: Ti6Al4V
40% leichter (2,9kg)
© 2018 Bugatti Automobiles S.A.S.
© 2018 Bugatti Automobiles S.A.S.
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Bionisches Design im Maschinenbau
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PPEE-Werkzeugmaschineneinsatz
Erhöhung der Oberflächenhärte um 300%
Reduktion der Kavitäten-Wandstärke um 90%
Reduktion der Aufwärmzeit der Kavitäten-Oberfläche um 70 %
Reduktion der Fertigungsschritte um 40%
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Topologieoptimierte Wärmetauscher
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Optimized AM Design
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Konv. Design AM Design
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Hydraulikventilblock- Optimierter Strömungs- und Gewichtszustand
Geringerer Druckverlust
Höhere Effizienz
Reduktion Gewicht und Materialabfall
Design ohne Supportmaterial
Design für
Funktionalität & AM
0
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Weight Pressure Loss MaterialWaste
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Conv. Design AM Design
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Konventionelles Design 1
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Design für Funktionalität 2
Gewicht Druckverlust Material
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Geometrie
Leichte und kompakte 3D-gedruckte Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher für den gewünschten Betriebsbereich
80% erhöhte Wärmeübertragung*
44% Druckverlust im Vergleich zu einem PWT*
Leistungsverbesserungen ermöglichen ein kleineres Volumen
Kanäle mit 100% Gesamtoberflächeneffizienz
Effiziente Pulverentfernung
Flüssigkeits-strömung
iLAS TUHH
Gleichmäßige Verteilung der Flüsse
iLAS TUHH
Anpassbare Kanal-geometrie
Effiziente Pulver-entfernung
* über PWT ähnlichen Volumens (berechnet)
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Special Characteristics
Guss
Qualität
• Geeignet für Hochtemperatur-legierungen
• Stapelbare Bauteile
Kosten
LBM
Zeit
EBM – Elektronenstrahlschmelzen
internal
Source: Arcam
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Titanaluminide – Next generation Material für Rotorblätter
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GEnx (2011): Boeing 747-8 / Boeing 787
Temperaturbeständigkeit
Kriechbeständigkeit
Oxidationsbeständigkeit
Schweißbarkeit
Prozessierbarkeit
Erlaubt höhere Betriebstemperaturen
Niedrige Dichte bei sehr guten mechanischen Eigenschaften
TiAl-Legierungen schon im Einsatz in der Luft- und Raumfahrt
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Special Characteristics
Guss
Qualität
• ‚near-net-shape‘ Fertigung
• Hohe Produktivität
• Großbauteile
Kosten
LBM
Zeit
DED – Direct Energy Deposition
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Source: RTJournal Source: MTAdditive
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Diesen Kasten nicht löschen (ist für die Funktion der Folie wichtig)
Merlin Project: Reduktion der Durchlaufzeit eines Helikopter Brennkammer Gehäuses
internal
Goals
Near-net-shape Herstellung von Brennkammer Gehäuse eines Helikopters
Einsparung von Kosten und Verkürzung der Durchlaufzeit
Results
Erfolgreiche Herstellung eines Bauteils mit 300mm Radius und 90mm Höhe
Oberflächengüte: 15µm Ra
Bauzeit: 7.5hrs
©TWI Potentielle Reduktion der Durchlaufzeit von Monaten auf wenige Stunden
Projektziele
Ergebnisse
32
© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
R 254 G 239 B 214
R 225 G 227 B 227
Diesen Kasten nicht löschen (ist für die Funktion der Folie wichtig)
WAAMpeller – Zugelassene Schiffsschraube aus dem 3D-Druck
internal
Projektziel:
Erforschung des WAAM-Prozesses in der Schiffsindustrie, um effektiver, kosteneffizienter und umweltfreundlicher zu produzieren
Ergebnis:
Mechanische Eigenschaften und Einsatztests zeigen vergleichbare Ergebnisse zu herkömmlichen Gussschrauben
Bereit für kommerziellen Einsatz
©DAMEN
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
R 254 G 239 B 214
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QS-Sensorik für AM-Mega 4.0
Zielsetzung & Features
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Entwicklungsbereiche
Innovative QS-Sensorik mit Handhabungsverknüpfung
Aktueller Prototyp der innovativen QS-Sensorik
Interne Firmware (Software & Hardware)
Optisches System und Kühlstruktur
Applikationstests und -regelung
QS-Sensorik für Regelung und Monitoring des Bauprozess
Kein Einrichtungsaufwand
Thermisch entkoppeltes System
Interne Datenverarbeitung mit direkter Roboterinteraktion
Systemdatenschnittstellen zur Realisierung einer Bauprozessnachverfolgbarkeit
internal
© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
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R 226 G 0 B 26
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Binder Jetting
Grundprinzip
Pulverschicht wird selektiv mit Binder durch Inkjet Druckkopf verklebt
Bauplattform wird abgesenkt und der Vorgang wiederholt bis Baujob abgeschlossen ist
Sog. Grünteile werden zunächst ausgehärtet (Curing) und folgend in einem Hochtemperaturprozess entbindert und zu annähernd Vollmaterial gesintert
Material
Erprobt: 316SS, 17-4PH, Ti64
Grundsätzlich alle sinterbaren Materialien geeignet
Charakteristika
50 – 100 mal schneller als SLM/EBM
Materialeigenschaften mit MIM vergleichbar
35 Internal
© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
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Kostenvergleich – LBM vs. BJT
internal
- €
50 €
100 €
150 €
200 €
250 €
LBM Next-Gen LBM BJT* Next-Gen BJT**
Material
Sintering
Machine
*Based on Digital Metal P2500 100cm³/hr, 75% build volume usage & 60% powder bed density
**Based on DM Production System 12.000cm³/hr, 75% build volume usage, 60% powder bed density and the use of 10€/kg MIM powder
Kostenschätzung zum Druck von 1kg 316L mit aktueller und Next-Gen Anlagentechnologie im LBM und BJT
-40%
-85%
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
R 254 G 239 B 214
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VW plant Einführung von AM-Serienproduktion im Automobilmarkt
internal
VW plant Einsatz von HP Metal Jet für AM-Serienproduktion
Start 2018 mit Herstellung von individualisierten Bauteilen und Ausbau zu Funktions- und Sicherheitsbauteilen ab 2019 bzw. 2021
Serienproduktion von individualis ierten Bauteilen mit
BJT Technologie
Stückzahlen > 100.000
Serienproduktion von Funktionsbauteilen ab 2019+
©HP, VW
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
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Metal Fusion Deposition Modeling FDM oder Fused Filament Fabrication FFF
internal
Source: Desktop Metal
Prozess
Drucken von extrudierbarem Filament oder Stäben aus Kunststoff-Metallpulver-Gemisch
Herauslösen / Ausbrennen des Kunststoffanteils
Sinterung zu vollständiger Dichte (98-99%)
Charakteristika
Kostengünstige und schnelle Rapid-Prototyping Methode für Metalle und perspektivisch Keramiken
Einfache Grünteilbearbeitung vor der Sinterung
Dichte nach Sinterung: ~98-99%
Support material
Feeding unit
Build material
Platform
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Verfügbar am IAPT ab Mitte 2019
© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
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R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
R 254 G 239 B 214
R 225 G 227 B 227
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Bis zu 90% Kostenreduktion in der Spritzgussindustrie durch Metal-FDM
Werkzeugfirma implementiert Metal-FDM in ihre Produktion von Werkzeugeinsätzen im Spritzguss:
Ermöglicht ‚In-House‘-Produktion
Kürzere Durchlaufzeiten
Größere Designfreiheit
Bis zu 90% Kostenreduktion
Konventionell Metal-FFF
Fabrication 3rd Party In-House
Lead Time 3 Tage 50h
Cost $493 $47
©Desktop Metal
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
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Reduktion der Entwicklungszeit durch Einsatz von Metal-FDM Prototyping
internal
0
25
50
75
100
125
Kosten Zeit Gewicht
no
rma
lize
d s
cale
Konventionell Metal-FFF
Motorhersteller Lumenium führt Metal-FDM (FFF) in der Entwicklung ihrer Motoren ein
Ziele:
Optimierung des Entwicklungszyklusses
Reduktion der Kosten
Verbessertes Motordesign
Reduktion der gesamten Entwicklungszeit von 3,5 auf 2,9 Jahre
25% Reduktion
©Desktop Metal
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
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Charakteristika
Qualität
• Keine Stützstrukturen
• Stapelbare Bauteile
• Hohe Isotropie
• Thermoplasten
Kosten
SLS
Zeit
SLS – Selective Laser Sintering
internal
Source: Digitaltrend Source: Pinshape
Spritzguss
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© Fraunhofer
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Landegreifer für Wartungsdrohnen
[Airdronex]
Die Untersuchungen wurden aus Haushaltsmitteln
des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie
(BMWi), FKZ 20W1305G, gefördert.
Bionik 3D-Druck
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© Fraunhofer
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Erstes komplett gedrucktes Flugzeugs (powered by Airbus and LZN/IAPT)
Unbemanntes Flugzeugt mit einer Spannweite ca. 3,7 m und einer Länge von ca. 3,5 m
60 Einzelteilen und eine Gewicht von 21 Kilogramm
Eintrag ins Guiness Buch der Rekorde: größtes gedrucktes Flugzeug, welches aus eigener Kraft fliegen kann
45 internal
© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
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R 226 G 0 B 26
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Plastikschädel zur Vorbereitung einer Operation
Testen und Positionieren
SLS
LBM
Re-Engineering
CT- Scan
Plan Chirurgie
Schädel
Schädel- Kappe
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
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Behandlung eines Amelobastoms im Unterkiefer mit einer 3D-gedruckten Rekonstruktion (powered by UKE, IAPT and Bionic Production AG)
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
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R 226 G 0 B 26
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AGENDA
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1 Status: Additive Produktion und Fraunhofer IAPT
2 Industrielle Entwicklungen für einen profitablen 3D Druck
3 Technologietransfer in Hamburg für den 3D Druck
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
R 254 G 239 B 214
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Additive Academy – weltweit führend im AM-Technologietransfer
internal
Basic Training *
Design for AM Training
Hands-on Training *
Bionic Design Training
Bionic Design Expert Training
Design Workshop
Design
Basic Training *
Hands-on Training *
Data Preparation Workshop
Powder Workshop
Learning Expedition
Management Deep Dive
Strategy Workshop
Management
Ad
van
ced
Exp
ert
Implementation
Design Challenge
Part Feasibility Screening
* Based on metal or polymer AM technology
Kundenspezifische Modifikation der Trainings möglich
Production
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© Fraunhofer
R 23 G 156 B 125
R 242 G 148 B 0
R 31 G 130 B 192
R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
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Additive Alliance – kompetentestes und effizientestes AM-Industrie-Netzwerk
internal
In negotiations
OEMs Service provider Machine manufactures
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R 23 G 156 B 125
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R 226 G 0 B 26
R 177 G 200 B 0
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
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