Praesentation_Kompass_3D-Druck_Mueller

„Technologieschub - Der große Show-Auftritt der 3-D-Druck-Technik“
„ … am Ende der Industrie, wie wir sie kennen?
Wird in Zukunft kein Karosserieblech mehr gestanzt,
keine Kurbelwelle mehr geschmiedet und kein
Armaturenbrett mehr gegossen?
Kommen bald Auto und Flugzeug, Pizza und Pasta,
Tisch und Bett aus dem Drucker - individuell geformt
und so funktional ausgestattet, wie es sich der
Industriedesigner oder ein einsamer Kreativer, in der
Technoszene Maker genannt, ausgedacht hat? …“
Manager Magazin Online, 19.7.2013
Klaus Müller-Lohmeier
Entwicklung des Additive Manufacturing bzw. des 3D Druckes
1987
Erste kommerzielle Anlage (3D Systems: Stereolithografie mit UV-sensitiven Harzen)
1995
Erste Metallpulver verarbeitende Laserschmelzanlagen
2000
Zunehmende Etablierung als Rapid Prototyping-Verfahren in der erzeugenden Industrie
2005
RepRap/Maker-Bewegung/Szene beginnt
2009
FDM-Patent (Stratasys) läuft aus
2010
Enorme Vielfalt an polymeren und metallischen Ausgangsmaterialien in Flüssigkeits-,
Draht- und Pulverform
2012
3D-Internet-Druckplattformen starten/etablieren sich
2014
Am Markt große Bandbreite von „DiY“-Druckern für € 500+ bis zu Industrieanlagen
für rund 750.000 € (kumuliert ca. 70.000-75.000 3D-Drucker weltweit, Wohlers 2013,
Moilanen, 2012)
Klaus Müller-Lohmeier
2
Gartner Inc.’s 2013 Hype Cycle for Emerging Technologies
Klaus Müller-Lohmeier
3
Festo
Fast Factory
Stand und Chancen
der industriellen Fertigung
durch 3-D-Druck
Etabliertes
Rapid
Prototyping
Klaus Mueller-Lohmeier
Paradigmenwechsel im
Design
Status
industrielle
Serienfertigung
mittels AM
Klaus Müller-Lohmeier
Festo AG & Co. KG,
Esslingen
5. Juni 2014
4
Festo
Fast Factory
Klaus Müller-Lohmeier
5
Think global, act local
• Automation and Didactic
• Factory and Process Automation
• 300,000 customers
• 30,000 catalogue products
• Turnover (Group): 2,28 billion € (2013)
• 16,700 employees in 176 countries
• 2,900 patents world-wide
• R&D budget 7% of turnover
People: our no. 1 success factor
Klaus Müller-Lohmeier
6
Generative (or additive) techniques at Festo: history and status
• practical in-house experience in RP techniques since 1995 (7 years after birth of the technology)
• using nearly all generative techniques available
• network of in-house facilities (4x FDM, 3x SLS, 1x SLA, 2x SLM) -> Festo Fast Factory
• in 2013 (2012) some 19.000 (20.000) parts are realized within more than 1.400 (1.200) orders
• average door-to-door time: 4 calendar days
• contact to well-known research instituts; involved in a couple of research projects
• active member in some AM associations
Klaus Müller-Lohmeier
7
Strategic core responsibilities of Festo Fast Factory
Important contribution to reduce time-to-market
• Customer and sales support at customer
specific applications and projects (dialogue)
• Supply of R&D with toolless fabricated parts
(time)
• Collaboration by realisation of
new design approaches (innovation)
• Sounding of the possibility as
serial production methode (economy)
• Technology transfer to the Supply Chain
(knowhow)
Klaus Müller-Lohmeier
8
Etabliertes
Rapid
Prototyping
Klaus Müller-Lohmeier
9
Beispiele aus der industriellen Praxis
Konzeptmodell, Funktionsteile, Kundenmuster …
Ventilgehäuse, SLS, PA12
Verbindungstechnik, SLA, Acrylharz
Antriebskolben, SLM, AlSi12
Ventilgehäuse, SLM, AlSi10Mg
Ventilteil, SLS, PA12
Handhabungstechnik, FDM, ABS
… in Stunden und Tagen anstatt Wochen und Quartalen !
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10
Additive Manufacturing is part of the digital solution process !
shipment
(first) design / CAD
assembly
final AM parts
reverse
engineering
finishing of AM parts
FEM simulation / virtual reality
CAD model -> slice model
Klaus Müller-Lohmeier
virtual part placement in
build envelope of AM machine
layerwise part build-up
in AM machine
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Case study: Customer problem solution
Customer specific cylinder (SLS, PA 12)
Short-time delivery (< 3 days) of alternative cylinder body geometries
 External: quick delivery to customer for implementation studies
 Internal: fast available prototypes for internal pressure creep test yielding for safety in providing
alternative solutions (more than 3 months at 10 bar and 80°C)
Quick customer support
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Case study: Customer specific development
Pilot valve for valve control unit
 concept model for customer development discussion
 toolless production of a series of 5 units within 2 days
 avoiding tool costs in case of wrong development direction
Fast supply of customer specific concept models
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Case study: laser melted aluminium parts
Valve housing prototyping for R&D
serial
generative
RP part combined with serial parts
 Aluminium parts (AlSi12) with material density of 99,5% / part size 65 x 29 x 18 mm³
 Complete process chain for set of 6 pieces: 7 days
(including finishing by micro shot penning and cutting rework at sealing surfaces and central bore)
 Response pressure, switching time and flow rate mostly comparable to serial configuration
Reliable support for product development
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Valve component as laser melted aluminium part
Valve body for new product development
and technological benchmark
Material :
Density:
Part size:
Programming:
Build time:
Finish:
Cutting rework:
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aluminium (AlSi12 and AlSi10Mg)
99,5 %
105 x 50 x 60 mm³
145 x 65 x 60 mm³
0,5 h
48 h (one set of two)
micro shot penning
5 h at sealing surfaces and central bore
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Beispiele aus der jüngeren Zeit
Ventilgehäuse
Saughalterung
mit integrierten Strömungskanälen
1:50-Maschinenmodelle
für Fabrikplanung
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Paradigmenwechsel im
Design
Klaus Müller-Lohmeier
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Additive Manufacturing is more than just another manufacturing technology !
Manufacturingdriven design
Paradigm shift
in design and manufacturing
Design-driven
manufacturing
• Function integration
• Part number reduction
• Assembly effort reduction
• New design solutions
Additive Manufacturing eventually means the liberation of design from manufacturing
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Support of Bionic Learning Network
FinGripper 2009/ Handling Assistant 2010/ Robotino XT 2011 / BionicOpter + Wave Handling 2013





function integration
part number reduction
toolless part fabrication
less or without assembly
no alternative technology
2010
award
winner
Physical realisation of new handling concepts
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Direct Manufacturing
Adaptive Gripper
A universe of possibilities
The new gripper picks
autoadaptive and form-locking
and moves nearly every object
safe and gentle
Fin Ray Effect® is a trademark of EvoLogics, Berlin
Klaus Müller-Lohmeier
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Heat exchanging device for customer specific test bench
Device with internal conformal heating channels (Al powder-based SLM process)
 Part size 244 x 208 x 59 mm³ (~10 in x 4 in x 2 in) , net weight about 2,6 kg (6 pounds)
 Non-stop additive manufacturing time : 5 days (complete process chain: 14 days)
 Heating capacity about 8 KW
One of the biggest Al parts done by additive manufacturing
Klaus Müller-Lohmeier
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Aber auch die „schöne neue Welt“ hat ihre Grenzen !
Grenzenlose Fertigbarkeit beispielsweise limitiert durch
•
Notwendige Stützkonstruktionen (Zugänglichkeit, müssen mechanisch oder chemisch entfernbar
sein)
•
Material in innenliegenden Kanälen mit kleinem Durchmesser (Pulver kann „verbacken“, enge
Radien im Innereren)
Klaus Müller-Lohmeier
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Status
industrielle
Serienfertigung
mittels AM
Klaus Müller-Lohmeier
23
What does „serial fabrication“ mean ?
MRT (medical science)
2011 ~10 manufacturers worlwide
2011 each ~ 100 units (authors estimate)
Passenger planes (aviation)
2011 ~530 delivered planes (Airbus)
Passenger cars (automotive)
2011 ~ 5.000 vehicles/day (VW Wolfsburg and Zwickau)
Speciality goods
versus
mass market !
Pneumatic valves (automatisation)
2011 ~ 3.500 delivery items/h, 30.000 catalogue products
2011 amongst others ~ 7 millionen valves (Festo)
In dependance from the branche segment
serial fabrication might show total different dimensions !
Beside lot size we have to account for
variance, degree of complexity, material and part size
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24
Rapid Prototyping -> Additive (Direct) Manufacturing
Vom einzelnen Teil …
Klaus Müller-Lohmeier
…zu größeren Stückzahlen
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Direct Manufacturing
Product operating or service time / customer expectations
Human implants
Automation components
Automotive
Aviation
5-15 years ?
6-10 years
> 10 years
> 30 years
There is a huge difference between Rapid Prototyping and Direct Manufacturing !
-> Direct Manufacturing has to face
demands from long-term
• product liability
• end-user customer satisfaction and
• profitability
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Reproduzierbare Qualität hochbeanspruchter SLS-Funktionsteile
Definition „reproduzierbar“:
Baujobunabhängigkeit auf der selben Anlage
(idealerweise auch innerhalb des selben Anlagentyps)
Definition „Qualität“:
Gewährleistung konstanter Produkt-/Teileeigenschaften
bezüglich der vorgesehenen Funktionalität (z.B. Greifen/Bewegen)
über definierten längeren Zeitraum
(z.B. 3 Jahre oder 10E6 Lastwechsel)
Definition „hochbeansprucht“: dynamische Wechsellasten (zyklisch), wobei
Lasten mechanisch (Biegung, Zug-Druck) und/oder
Innendruck (gasdicht)
Definition „Funktion“:
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Teile bzw. Baugruppen haben eine technische Funktionalität,
die über das „rein dekorative Gehäuse“ hinausgeht und
die wirtschaftlich realisiert werden kann
Reproduzierbare Qualität hochbeanspruchter SLS-Funktionsteile
Berücksichtigung der gesamten Prozesskette
• Material-Anlieferqualität
(z.B. welche Parameter sind relevant bezüglich Konstanz,
wie groß sind diverse Streubänder, Sicherstellung zugesicherter
Eigenschaften (chemische Zusammensetzung, FDA !))
• Prozess-Baujobvorbereitung
(material- und anlagenseitig: Pulveraufbereitung sieben/mischen,
Anlagenzustand bezüglich Reinigung/Laserleistung/Pyrometer)
• Bauprozess
(Bau-/Anlagenparameter)
• Teileentnahme
(Verweilzeit nach Belichtungsende, Auspacken)
• Finishing
(Reinigung, Oberflächenbehandlung)
Klaus Müller-Lohmeier
Basic research with SLS material and specimen
Tensile and cyclic
bending tests with
standardised specimen
Wechselbiegung an
genormten Prüfkörpern
Analysis of grain size
distribution and
grain shape
Residual monomer
amount and
DSC analysis
…?
…?
Fundament for accompanying quality assurance of plastic laser sintering
Klaus Müller-Lohmeier
29
Reproducibility of (mechanical) properties ?
Continued co-fabrication of (among others) SLS tensile test specimen (nominal identical machines)
Data sheet value ≥ 48 MPa
40
Tensile Strength
(MPa)
30
April 2011
Source:
Festo (Orendi), 2011/12
Klaus Müller-Lohmeier
machine A (built 2009)
July 2011
April 2011
June 2011
machine N (built 2010)
30
Reproducibility of (mechanical) properties ?
Adapted process
parameters
(manufacturer
+Festo)
50
Data sheet value ≥ 48 MPa
40
Tensile strength
(MPa)
30
November 2011
Source:
Festo (Orendi), 2011/12
Klaus Müller-Lohmeier
machine A (built 2009)
November 2011
machine N (built 2010)
November 2011
machine T (built 2011)
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Longterm behaviour ?
Cylic bending applied on standardised SLS specimen
Material: Standard PA
h=4mm
EOS PA2200
Specimen
according DIN 53442
Build orientation
0° (horizontal)
90° (vertical)
Cyclic load:
2 amplitudes (38, 42 Mpa)
2 frequencies (3, 5 Hz)
Source:
Festo (Kröll/Mayer, 2011; Dämmer, 2012; Klimkait 2013)
Klaus Müller-Lohmeier
32
Longterm behaviour (cyclic bending )
Stress range /amplitude (MPa)
65
Source:
Festo (Dämmer, 2012; Klimkait 2013)
60
55
Reference Material
0°, 3 Hz
Reference Material
0°, 5 Hz
Reference Material 90°, 3 Hz
Reference Material 90°, 5 Hz
50
45
Test 3Hz,0°,38 MPa
discontinued due to time reasons
40
35
0,00E+00
5,00E+05
1,00E+06
1,50E+06
2,00E+06
2,50E+06
3,00E+06
3,50E+06
4,00E+06
4,50E+06
Load cycles to rupture
First results are satisfying and comply with industrial minimum requirements
Klaus Müller-Lohmeier
33
Application-oriented analysis on SLS parts
Pressure behaviour
(sample)
Cyclic bending
(component)
Qualification
(product testing)
≥ 5 million bending cycles
≥ 5 million gripping actions
Source:
Festo (Moll), 2010
80 bar burst pressure (2,5 mm wall thickness)
Klaus Müller-Lohmeier
34
Case study: Direct Manufacturing of polymer parts
Fastener for flexible tube
(Tripod project)
Coil body
(Didactic project)
Clamping bracket
(Didactic project)
 typical annual demand: 600 / 1.200 / 400 pieces
 toolless production by plastic laser sintering (SLS) or fused deposition
modeling (FDM) within < 2 weeks
 costs < € 5/piece
Economic short run production of accessories and basic parts for new concepts
Klaus Müller-Lohmeier
35
Case study: Direct Manufacturing of polymer parts
Snap-fit for serial supply of a major customer (SLS, PA 12)
 Alternative technolgy: additive fabrication of 12.000 pieces (4 build chamber fillings)
 Complete process chain per build chamber realized within 2 days
 Plastic injection molding vs. toolless additive fabrication:
time 2 months vs. <2 weeks, costs 1 : 0,66
Top speed for customer satisfaction
Klaus Müller-Lohmeier
36
Part cost aspects for polymer parts
Tappet
Diffusor
1.000,00 €
12,00 €
Kosten
AM RP pro Teil
Kosten
AM RP pro Teil
Kosten
Spritzguss
pro Teil
Injection
molding
100,00 €
Kosten
Injection
Spritzguss
molding
pro Teil
10,00 €
Kosten
Spanend pro Teil
Cutting
8,00 €
10,00 €
6,00 €
4,00 €
1,00 €
2,00 €
Quantity
0,00 €
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3500
4000
4500
5000
10000
200
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1700
1900
2100
2300
2500
2700
2900
3500
4500
10000
0,10 €
Source:
Festo (Hamburger), 2010
Quantity
AM benefit with geometrical complex parts and mid-size lot (but consider functionality !)
Klaus
Müller-Lohmeier
Wintersemester
Sommersemester
2010/2011
2011
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Mechanical properties of Al rapid prototyping material (AlSi10Mg / A 360)
Quasistatic tensile test:
samples according DIN 50125-A4x20
source: Festo; BMBF project AluGenerativ, 2007-2009
 properties fulfil the
(minimum) standard values
according to EN1706 for
diecasting
Klaus Müller-Lohmeier
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Component part test with additive manufactured aluminium valve bodies
source: Festo, BMBF project AluGenerativ
Pneumatic endurance test
Specimen:
Conditions:
4 x laser melted valve housing (AlSi10Mg powder, 2x H/C, 2x C/H)
(finished by mechanical afterwork, solenoids added)
∆p=6 bar, f=3 Hz, room temperature, compressed air non-oiled
test start:
Oct., 6th, 2008
at start:
switching time
switching pressure
leakage values
Klaus Müller-Lohmeier
intermediate results (April, 2014):
just as well
as serial
products
450 million switching cycles
all measurement categories still ok
test still running
39
Case study: Direct Manufacturing of light metal parts
costs /part
100.000,00 €
10.000,00 €
Diecasting
AM
1.000,00 €
• Running times (for typical aluminium parts with
Festo background) too long:
average 16-24 h machine time/part + 3-5 h afterwork/part
-> 1 unit -> 250 parts -> 250 working days !
• Actual machine-hour rate at least about 65 €/h
-> 1.200 € - 1.500 €/part in average !
100,00 €
• Slowly crowing knowledge of long term behaviour
(fatigue, media resistance, wear) of this parts
10,00 €
1
10
50
90
350
550
750
950
1150
1350
1600
2000
2400
2800
4000
1,00 €
quantity
• Process ability not yet really achieved
• With the background of product (re)liability
further research is mandatory
From economic point of view, Direct Manufacturing of typical Festo (aluminium) parts
even for small-lot series currently not yet suitable !
Klaus Müller-Lohmeier
40
Erste Schritte in Richtung Standardisierung sind gemacht, aber…
Veröffentlicht Okt. 2013
USA:
ASTM F2792-10 (F42)
Klaus Müller-Lohmeier
41
Aktuelle Trends/Ausblick
Konsolidierung des Marktes
• Maker-Bewegung (RepRap, MakerBot…) versus 3D-Copy Shops (Drucker-Plattformen z.B.
Shapeways, i.materialise, …)
• Anbieter von Industriesystemen fusionieren und/oder gehen an die Börse (Kapital für F+E sowie
Produktion)
Forschung läuft auf breiter Front
• Themenschwerpunkte: Qualitätssicherung/Reproduzierbarkeit/Standards
• Neue Materialien: Entwicklung eines neuen Prozessfensters 1-2 Jahre F+E
• Verkettung und Automatisierung der Prozesskette bzw. kontinuierliche Fertigung oder größere
Bauräume: Produktivität/Wirtschaftlichkeit
Klaus Müller-Lohmeier
42
Zusammenfassung
• Es gibt bereits viele beeindruckende Ergebnisse und Erfolge
in der Nutzung der Schichtbauverfahren (3D-Druck) !
• Additive Manufacturing ist keine Ablösung vorhandener Technologien,
sondern „ein weiterer Pfeil im Köcher der Fertigungstechnik“, der in
Abhängigkeit von Stückzahl, Funktionalität, Materialart, Qualität, Zeit
und Kosten „gezückt“ werden kann
• Im Gegensatz zum Rapid Prototyping gleicht
der aktuelle Stand des Direct Manufacturing
aber durchaus noch einer Baustelle !
Additive
• Aber meine Meinung: Den Optimisten gehört die Zukunft !
• Zahlreiche Studien (McKinsey, AT Kearney, Roland Berger,…) stützen dies !
Klaus Müller-Lohmeier
43
Zwar noch keine ganze Pizza, aber…
Quelle: TNO Euromold 2013,
3DPrinting.com (09.01.2014)
TNO + Barilla:
3D pasta printer for custom noodle fabrication (15-20 pieces of pasta every two minutes)
“For example, you could surprise your wife with pasta in the shape of a rose
for your marriage anniversary. You can simply save your design in a USB and
bring it to the restaurant. The 3D food printer there will print it on site."
Klaus Müller-Lohmeier
44
Herzlichen
Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit !
Klaus Müller-Lohmeier
???
45