Light Engineering - HS-OWL

Development
Consulting
Education
Research
Erfolgreiche
3 D Druckindustrialisierung
durch
hybride Fertigungsmethoden
und
Bionic Production
Prof. Dr.-Ing. C. Emmelmann
Hochschule Ostwestfalen-Lippe
in Lemgo am 6.11.2015
Gliederung
2
1
Light Engineering
2
Bionic Production
3
Bionic Smart Factory 4.0
1
Light Engineering
Nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2015
Projektteam
Projekt
Quelle: AIRBUS
3
„3-D-Druck im zivilen
Flugzeugbau – eine
Fertigungsrevolution
hebt ab“
1
Light Engineering
Light Experts – Ihre Light Solution aus einer Hand
EXPERTS
O
Strategie
Forschung
Ausbildung
Entwicklung
Weiterbildung
Light Alliance
4
Bionic
Production
Community
1
Light Engineering
Kernkompetenzen und Märkte der Light Experts
Forschung und
industrielle
Qualifikation
Entwicklungskompetenzen
Märkte
5
Light
Design
Light
Process
Light
Factory
Light
Academy
1
Light Engineering
6
Kosten
K
Qualität
Q
Zeit
Z
MedLAS
ShipLAS
Kompetenzfelder und Märkte der Light Experts
1
Light Engineering
Projekt- und Kooperationspartner der Light Experts
Technische Universität Hamburg-Harburg
7
7
1
Light Engineering
3D-Drucken: neue Designfreiheiten und
Herausforderungen
Freiformflächen
konventionelles Design
Gitterstrukturen
Airbus Innovation Cell & LZN
steigende Designkomplexität
 Design Know-How limitiert auf Experten; fehlende Richtlinien und Konstruktionskataloge
 konventionelle Konstruktionsmethodik und 3D-CAD Software erschließt nicht das volle
Potential der additiven Fertigung
3D-Drucken erfordert eine neue Produktentwicklungsmethodik
8
Light Engineering
1
Auswahlmethodik zur Identifikation geeigneter
Produkte zur laseradditiven 3 D Druckmethodik
Auswahlmethodik
Technologie als „Enabler“

Bauteileigenschaften
Produktivität (z.B. Verfügbarkeit der Rohstoffe, Geschwindigkeit, Skalierbarkeit)
 Restriktionen (z.B. Bauteildimensionen und -geometrien, Qualitätssicherung)
1
2

Geometrie
 Funktionsanforderungen
 Randbedingungen
3
Leichtbau

Funktion
Mögliche Gewichtsreduktion durch
Topologieoptimierung
 Abschätzung des
optimierten
Bauteilgewichts
Leichtbaupotential

Mögliche Zusatzfunktionen des Bauteils
 Funktionsoptimierungen
Funktionspotential
Kosten / Zeit

Entwicklungskosten
 Rohstoffkosten
 Maschinen-, Werkzeugund Personalkosten
 Vorlauf-/Prozesszeit
Herstellungskosten/-zeit
Wirtschaftlichkeit im Gesamtsystem

Einfluss der Produktoptimierungen selbst und möglicher sekundärer Effekte
 Betrachtung der zeitlichen Änderung von Randbedingungen der Wirtschaftlichkeit
9
1
Light Engineering
Bionisches Design für 3D-Druck –
Katalog für Struktur-Bionik
Topologieoptimierung
Bionikkatalog
Strukturprinzip
Auswahl
1.1.form
Form
nach
Form
Auswahl
2.
Last
2.nach
loading
Belastung
Vogelknochen
3. lightweight
3. Leichtbaudesign
prinzipien
principles
Sheshukovia
algae
10
technische
Abstraktion
1
Light Engineering
Gewichts- und Strömungsoptimierung von
Ventilblöcken
 Gewichtsreduktion von 80%
 Reduktion der Druckverluste um 50%
 Integration von zusätzlichen Funktionen
möglich: Sensoren, Kühlrippen
11
1
Light Engineering
Entwicklung eines integralen ALM Fuel-Connectors
Beispiel für Komplexitätsreduzierung durch Integralbauweise
Konventionelles Design
Integrales ALM-Design
Reduzierung der Anzahl von Einzelteilen von 14 auf 1
Verringerung der Fertigungsschritte von 18 auf 5
Reduzierung der Fertigungskosten um 50%
12
1
Light Engineering
Hybrides Redesign eines
Leistungselektronikgehäuses
Potentiale der Hybridbauweise
 signifikante Kostenreduktion um
30% gegenüber komplett
lasergenerierter Bauweise
 weitere Gewichtseinsparung
ermöglicht
Vorstellung auf der
=
+
LAM Kühlplatten
13
Konventionelles Gehäuse
volle Funktionalität
und Wirtschaftlichkeit
1
Light Engineering
Bionischer Spaceframe für den
flexiblen Leichtbau
Darstellung einer Vorderwagenstruktur
in LAM-Hybridbauwiese
 Kombination von LAM-Knoten und
Profilen
 Laserschweißen für minimalen Verzug
 Restriktionen des dünnwandigen
Stahlgusses werden überwunden
Quelle: EDAG
Vorstellung auf der IAA 2015
14
Gliederung
15
1
Light Engineering
2
Bionic Production
3
Bionic Smart Factory 4.0
2
Bionic Production
Marktumsätze additiver Produkte in Mio. EUR
Automobilbau
Luftfahrt inkl.
Turbinen
330
320
180
280
Maschinenbau
Medizintechnik
Konsumgüter &
andere Branchen
Quelle: Wohlers Report 2013, Laser Zentrum Nord, Roland Berger
16
600
2
Bionic Production
Airbus 3D Druck Wettbewerb 2014
Ceremony Day at LZN Laser Zentrum Nord GmbH
17
2
Bionic Production
Die Bionic Production steht im Wettbewerb mit
konventionellen Verfahren
Gießen
Fräsen
LAM
Sintern
Kostentreiber:
Kostentreiber :
Kostentreiber :
 Komplexität
 Komplexität
 Bauteilvolumen
 Bauteilvolumen
 Abtragrate
 Nachbearbeitung
 Werkzeuglagerung
 Halterungen
Mehrere Faktoren beeinflussen Kosten-Wettbewerbsfähigkeit von LAM
 Bauteilvolumen, -abmaße & -komplexität
 Material
 Stückzahl
 Geforderte Oberflächenqualität
 …
18
2
Bionic Production
Markt für laseradditive Fertigung durch verschiedene
Argumente charakterisiert
Stückkosten
B
Kleine
A Stückzahl

Einsparung
Werkzeugkosten
 Einsparung
Rüstkosten
 …
Geometrische
Komplexität
Bestehende Komponenten
 Hohe geometrische
Komplexität
 Reduktion Durchlaufzeit
 …
(Bionisches) Redesign
 Zusatzfunktionen
 Funktionsintegration
 Reduktion Gewicht
 …
C Zukunft: Verschiebung
Armortisationsschwellen durch…
 Steigerung Produktivität SLM Maschinen
 Günstigere Metallpulver
 Automatisierung Prozess
 …
 Laseradditive Fertigung
 Konventionell Zerspanung
 Konventionell Guß
Stückzahl
Klein
Prototypen und Kleinserien
Mass-customization
Ersatzteile
19
Mittel
Mittlere Serien (z.B. Luftfahrt,
Maschinenteile)
Hoch
Großserien (z.B.
Automobilteile)
Bionic Production
2
Es werden hohe Produktivitätssteigerung in der
Lasertechnik für die nächsten Jahre erwartet
konv. subtraktive
Zerspanung
additives 3D-Drucken
mit 200 W Laser
additives 3D-Drucken
mit 4 mal 400 W Lasern
0,2 km/h
5 cm3/h
50 cm3/h
LZN Forschung
> 500 cm3/h
Produktivitätssteigerung um das 100-fache
20
2
Bionic Production
Marktanalyse 3D Drucken in Metall
Umsatz Werkzeugmaschinenmarkt in Mrd. € 2014
Herausforderungen
für o.g. Marktpotential
 Fehlendes KnowHow
Welt
61
D
14,5
(Businesskenntnis 3D Druck,
Bionische Konstruktion, Maschinen,
Prozesse, QS, Fabrik, Vertrieb)
3D Druck WZM
(≥ 90% D/Welt)
0,6
 Fehlende Investitionen (Investitionen
werden aus den USA dominiert)
 Fehlende Bereitschaft für „Change
Prozess“ in Wertschöpfungskette
> 100 Mrd. € (1)
Turbinenbau ≥ 25% (2)
Endoprothetik ≥ 10% (3)
Luftfahrt ≥ 10 %
Fahrzeug ≥ 10 %
Werkzeuge ≥ 10 %
Ersatzteile ≥ 10%
> 1 Mrd. €
2014
2025
Pot. Industrieproduktion 3D Druck in Metall
21
Erschließung o.g. Wissens durch
LZN GmbH und Bionic Smart
Factory 4.0 GmbH (BSF 4.0)
(1)
McKinsey (1 % der gesamten weltweiten
Industriefertigung)
(2)
GE
(3)
LZN
Gliederung
22
1
Light Engineering
2
Bionic Production
3
Bionic Smart Factory 4.0
3
Bionic Smart Factory 4.0
Fertigungskontingente ermöglichen eine ökonomische
Nutzung der 3D Drucktechnologie
Automobilbau
Kunden der
Turbinenbau
23
BSF
4.0
Luftfahrt
Maschinenbau
Medizintechnik
3
Bionic Smart Factory 4.0
Bionic Smart Factory am LZN
DesignRichtlinien
Produktivität
Oberflächenqualität
Eigenspannungen
Light Factory adressiert ALM
Herausforderungen
SLM 500HL
X 1000R
EOS M 400
by SLM
Solutions
by Concept
Laser
by EOS
Materialeigenschaften
Qualitätssicherung
Quelle: SLM Solutions; Concept Laser, EOS
24
3
Bionic Smart Factory 4.0
Aufbau der Maschinentechnologie als Fertigungsinsel
 Einzelstückfertigung
 manueller Transport
der Werkstücke aus
der Baukammer zur
Auspackstation
 manuelles Auspacken
 Pulvermanagement
der Fertigungsinsel
autark
 manueller Transport
der Werkstücke zur
Nachbearbeitung
25
3
Bionic Smart Factory 4.0
Status Quo der Nachbearbeitung beim 3D-Druck
1
Reinigung
handling
handling
handling
handling
handling
2
3
4
5
6
Wärmebehandlung
Entfernung
Supportstruktur
Spanende
Bearbeitung
Oberflächenbehandlung
Fertigteil
 alle Handlingsschritte zwischen den Nachbearbeitungsprozessschritten manuell
 Selbst einzelne Prozessschritte (z.B. Reinigung, Entfernung Supportstruktur und
Oberflächenbehandlung) häufig manuell
26
Bionic Smart Factory 4.0
3
Automatisierung des 3D-Druck-Prozesses für die
Industrialisierung erforderlich
Reinigung
Wärmebehandlung
3D Scan der Teile
Entfernung
Supportstrukturen
Spanende
Bearbeitung
Oberflächenbehandlung
z.B.
Drahterodieren
Integration zu einem Prozessschritt bei
geeignetem Werkstückdesign
Anforderungen für automatisierte Prozesse
 Zugänglichkeit für Roboter herstellen für automatisiertes Handling
 Re-design der Maschinen
 Erkennung des Werkstückes einschließlich Lage und Orientierung für automatisierte
Nachbearbeitung
 Einführung von Tooling Points in das Werkstückdesign für Handling und Bearbeitung
27
3
Bionic Smart Factory 4.0
Zukünftige Entwicklungen für die Serienfertigung am
LZN
 Neuartiger Pulverherstellungs-
prozess zur Fertigung hochwertiger
Metallpulver bei starkreduzierten
Kosten (Faktor > 5)
 Neues Maschinenkonzept zur
Steigerung der Produktivität
(Faktor > 100)
 Vertriebsplattform „Bionic Smart
Plattform“ für direkten Kundenzugang
und Designberatung
 Integrierte und prozessübergreifende
Qualitätssicherungs-konzepte
28
2
Design der Bionic Smart Factory 4.0
10 USP‘s of Bionic Smart Factory 4.0 @ Bionic Production
Efficient und digitally networked Bionic Design and Production
Business
Knowledge
Quality
BSF
Bionic Design
Factory 4.0
Materialpowder
Sales
Machines
Marketing in
the cloud
Process
Investors
Relations
for competitive products in the international market and all sectors
29
3
Bionic Smart Factory 4.0
Light Academy Workshops @ LZN Laser Zentrum Nord
Workshop Concepts
1
LAM Basic Training
Understand
Laser Additive Manufacturing
(LAM) of metal parts
• Learn about the fundamentals of
LAM as well as associated pre- and
post-processes!
• Get to know the potential and
benefits LAM can offer to you and
your company!
• Theoretical background and
2
LAM Advanced Training
(Metal)
„Hands On“ workshop
• Learn about the fundamentals and
benefits of LAM as well as about
associated pre- and post-processes!
• Intensify learning with practical
units!
• Run through complete process
chain!
• Manufacture your own part!
3
Individual Workshop
Theoretical and practical
workshop units, depending on
customer´s demand
• Identify benefits LAM offers to you
and your company!
• Analyse your company´s product
portfolio to identify high potential
LAM parts!
• Redesign parts with LZN experts to
achieve high quality results!
practical examples!
Learning Goals:
• Understand basics of LAM
• Understand LAM process chain
• Benefit from potential of LAM
30
Learning Goals:
• Learn basic essentials of LAM
• Understand LAM machine
• Learn data preparation independent
from LAM machine
Learning Goals:
• Understand basic essentials
of LAM
• Identify potential of LAM for own
business and product portfolio
3
Bionic Smart Factory 4.0
Light Engineering @ Light Alliance
Light-Schritte für die Innovation:
Design
Prozess
Fabrik
€
Innovatives Light-Design und
Manufacturing
31
Bionic Smart Factory 4.0
3
Themen der Light Alliance 2.0 ab Januar 2016
2016
1
1
2
3
Neue Geschäftsmodelle
Ressourcen
Januar 2017
4
Effizienz 4.0
Juli 2017
32
Maschinenbau
Space-Frame
Strukturbauteil
Ersatzteile
Hybride Verbindungen:
Blech - 3D
Hybride Verbindungen:
CFK - 3D
Hybride Verbindungen:
Konventionell - 3D
Zentrale Produktion
Ersatzteil-Logistik
Dezentrale Produktion
und Plagiatsschutz
Ultrahochharte Stähle
Kunststoffpulver und
CFK
Metallpulver und
Werkstoffqualifizierung
Nächste Generation
Fließband
Vollintegrierter
Entwicklungsprozess
Automatisierte
Postprozesse
4
Hybride Produktion
Juli 2016
3
Luftfahrt
2017
Januar 2016
2
Automobil
3
Bionic Smart Factory 4.0
Sichern Sie sich die Wettbewerbsvorteile der Bionic Production
durch Mitgliedschaft in der weltweit einzigartigen Light Alliance!
In Abstimmung
33
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit…
34