Vorstellung Laser Zentrum Nord 3D-Druck für den Automobilbau · Development Consulting Education Research Vorstellung Laser Zentrum Nord 3D-Druck für den Automobilbau Berlin, September

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Education

Research

Vorstellung Laser Zentrum Nord

3D-Druck für den Automobilbau

Berlin, September 2017

Prof. Dr.-Ing. C. Emmelmann

Dipl.-Ing. F. Beckmann

Michael Lippert, M.Eng.


Prof. Dr.-Ing. C. Emmelmann, Dipl.-Ing. F. Beckmann, M. Lippert

2

Gliederung

1 Vorstellung der Light Experts

2 Potentiale der Additiven Fertigung

3 Effizienz 4.0



3

Das LZN und seine Partner wurden für Leistungen im

Bereich der additiven Fertigung ausgezeichnet

Quelle: AIRBUS

Erstes additiv gefertigtes Metallbauteil der

zivilen Luftfahrt

Finalist beim “Innovationspreis der deutschen Wirtschaft“

3-D-Druck im zivilen Flugzeugbau – eine

Fertigungsrevolution hebt ab

Deutscher Zukunftspreis 2015 – In den „Kreis der Besten“ ernannt

Next Generation Spaceframe

Materialica Design + Technology Award 2016

Revolution des 3-D-Drucks für Bauteile aus

Metall

Hamburger des Jahres 2016 (Kat.: Wirtschaft)



4

Light Experts – Ihre Light Solution aus einer Hand

Entwicklung

Weiterbildung

Produktion Forschung

Ausbildung

Light Alliance Netzwerk

Strategie



5

Kernkompetenzen und Märkte des iLAS und LZN

Forschung und

industrielle

Qualifikation

Light

Design

Light

Process

Light

Factory

Light

Academy

Märkte

Entwicklungs-

kompetenzen



6

SLM 250HL AconityLAB

Das LZN ist mit aktueller Anlagentechnologie

ausgestattet – Herstellerübergreifend

TruPrint 1000

(Trumpf)

500x280x325 mm³

4 x 400 W

Ti6Al4V

250x250x280 mm³

2 x 400 W

1.4404, 1.4542,

Ti6Al4V

250x250x325 mm³

400 W

Ti6Al4V, Edelstahl-

legierungen, AlSi10Mg

550x550x500 mm³

100 W

PA6 GB, PP, PA12

340x340x620mm³

70 W

PA 12-Varianten,

PA11, TPE

SLM 500HL

(SLM Solutions)

2 x Concept M2

(Concept Laser)

EOS M290

(EOS)

AM S5500P

(Ricoh)

EOS P396

(EOS)

EOS M 270

250x250x

215 mm³

200 W

Ti6Al4V,

Edelstahl-

legierungen

EOS P390

340x340x620 mm³

50 W

PA 12-Varianten

Metall (Pulverbett) Kunststoff

Ø100x100 mm³

200 W

Inconel718

Ø170x200

mm³

1000 W

AlSi10Mg,

AlSi12 Bildquellen: SLM Solutions, Concept Laser, EOS, Trumpf, Ricoh, Aconity, LZN Metall (Pulver / Draht / Düse)

TruLaser Robot 5020

Ø1800x1800 mm³

TruDisc 6001 6kW Laserquelle

Auftragsraten bis 500 cm3/h

Fe-, Ti-, Al- und Ni-Legierungen

Cloos Schweißportal

30000x3000x3000 mm³

30 kW Laserquelle

Weltweit größtes flexibles 3D-Laserportal

3 hängende Schweißroboter

250x250x

300 mm³

1000 W

AlSi10Mg,

AlSi12



7

Gliederung



3 Effizienz 4.0



8

Prinzip des Laser Additive Manufacturing (LAM)

nach: Leistner

Einkomponentige Werkstoffe

Edelstahl; hochfester, temperatur-

beständiger Edelstahl; Werkzeugstahl

Aluminium-Legierungen

Reintitan und Titan-Legierungen

(TiAl6Nb7,TiAl6V4)

Nickelbasislegierungen

Kobalt-Chrom-legierungen



9

AM – Herausforderung für Markteinführung

Stück- kosten

Stückzahl

Klein

Prototypen und Kleinserien Mass-customization Ersatzteile

Mittel

Mittlere Serien (z.B. Luftfahrt, Maschinenteile)

Hoch

Großserien (z.B. Automobilteile)

Zukunft: Verschiebung Armortisationsschwellen durch…

Steigerung Produktivität SLM Maschinen Günstigere Metallpulver Automatisierung Prozess …

Laseradditive Fertigung

Konventionell Guß

Konventionell Zerspanung

Bestehende Komponenten

Hohe geometrische

Komplexität

Reduktion Durchlaufzeit

…

(Bionisches) Redesign

Zusatzfunktionen

Funktionsintegration

Reduktion Gewicht

…

Kleine

Stückzahl

Geometrische

Komplexität B

A C

Einsparung

Werkzeug-

kosten

Einsparung

Rüstkosten

…



10

State-of-the-art Anwendungen von 3D-Druck in der

Industrie

Bird bone

structure

iLAS TUHH

Bionic Design Lattice Structures

Airbus Innovation Cell

& LZN

Implantcast & LZN

Part Integration

Airbus Innovation Cell & LZN



11

Lieferanten- &

Fabrik-

qualifizierung

Fabrikplanung

Ersatzteil-

projekt

Material-

qualifizierung

Part-

Engineering

Part-

Screening

Schulung

Business-

modellberatung

3D-Druck Einführungsstrategie



12

Finden Sie mit unserem Part Screening die potential-

trächtigen Bauteile – Bottom-Up oder Top-Down

Part Screening

Option 2:

Top-Down-

Ansatz

Option 1:

Bottom-Up-

Ansatz

Bauteil-

identifikation

Bauteil-

bewertung

Optimierung

Materialeffizienz Optional

Design Workshop

Engineering

(LZN)

Produktion

(Bionic Production)

Consulting

Zusatzleistungen



13

Additiv gefertigte Ersatzteile für Oldtimer

Reproduktion eines Kaltstartventils

für den Mercedes-Benz SL Pagode

Prozesskette:

CAD Re-Engineering

Additive Fertigung

Qualitätssicherung

Defektes Originalteil CAD Re-Engineering Additive Fertigung



14

Hybrides Redesign eines

Leistungselektronikgehäuses

=

Konventionelles Gehäuse LAM Kühlplatten Volle Funktionalität

und Wirtschaftlichkeit

+

Potenziale der Hybridbauweise

signifikante Kostenreduktion um

30% gegenüber komplett

lasergenerierter Bauweise

weitere Gewichtseinsparung

ermöglicht

Vorgestellt auf der



15

Bionischer Spaceframe für den

flexiblen Leichtbau

Vorgestellt auf der IAA 2015

Spaceframe 1.0:

Kombination von LAM-Knoten und

Profilen

Laserschweißen für minimalen Verzug

Restriktionen des dünnwandigen

Stahlgusses werden überwunden

Vorstellung auf der IAA 2017

Spaceframe 2.0:

Leichtbauumsetzung in Aluminium

Signifikante Kosten- und

Gewichtsoptimierung

Validierung verschiedener

Fügetechniken

Darstellung einer Vorderwagenstruktur in LAM-Hybridbauwiese



16

Validierung von Bauteil und Fügetechnik Fallturmtest

Energieabsorption im Profil ohne

Beeinflussung der Schweißnähte



17

Materialqualifizierung für LBM

Pulvercharakterisierung

Unter Einhaltung und Anwendung definierter Standards und Vorlagen

Projektmanagement,

Vorbereitungen zur Materialqualifizierung

Parameterfindung Ermittlung chem. und mechan.

Eigenschaften

Erfassung des IST-Zustandes

Ermittlung von Pulverwerten

zur Reproduzierbarkeit der

Testergebnisse

Rückschlüsse für mögliche

Prozessfehler

Eignung für SLM-Prozess

Zielgrößen

Bauteildichte > 99,5 %

Geringe

Oberflächenporosität

Hohe Reproduzierbarkeit

Hohe Prozessstabilität

Resultierende Eigenschaften

In Abhängigkeit vom

Gefügezustand

In Abhängigkeit vom

Nachbearbeitungszustand



18

Projekt BioLas: Bionischer LAM-Stahlleichtbau für

den Automobilbau

Materialdefinition

und LAM

Parameter-

entwicklung Erarbeitung von Design-

und bionischen

Konstruktionsrichtlinien

Entwicklung des

Fügens /

Laserpulverauftrag

-schweißens

Validierung an den

Demonstratoren

Untersuchung mech.-

technologischer

Eigenschaften

Partner:

Ziel: Schaffung neuer Anwendungspotenziale der laseradditiven Fertigung in der Automobilindustrie durch die

Entwicklung von laseradditiv gefertigten (bionischen) Stahl-Strukturen im Karosseriebau



19

Überblick weiterer Forschungsprojekte im

Automotive Bereich

Customat 3D

Entwicklung einer hochfesten

Aluminiumlegierung (50% fester als

AlSi10Mg)

Entwicklung eines großen,

hochfunktionalen Strukturbauteils als

Demonstrator

Partner:

Stavari

Entwicklung einer Stahllegierung entlang

der gesamten Prozesskette

Von der Pulververdüsung über eine

materialgerechte Bauteilentwicklung

für AM Bauteile bis zur Fügetechnologie

Partner:



20

Gliederung



3 Effizienz 4.0



22

Die Industrialisierung der additiven Fertigung

benötigt Effizienz 4.0

Post-

Prozess/

nachge-

lagerte

Prozesse

Aus-

gangs-

logistik

In-

Prozess Pre-

Prozess

(Mech.)

Datensystem

(singulär, dezentral)

Kunden-

schnittstelle

Fertigungssystem

(multiple, dezentral)

Eingangs

-logistik

Lieferant

Pre-

Prozess

(Daten)

Auftragsabwicklung

Bio-

nische

Konst-

ruktion/

Opti-

mierung

(Potenzial-)

Kalkulation



23

Die Smart Platform erlaubt die Automatisierung der

Datenprozesskette

Parts on Demand

Angebotskalkulation

Technologievergleich

(additive Fertigung vs. Guss

und Zerspanung,

stückzahlabhängig)

CAD Dateiupload Bestellabwicklung in der

Cloud

Online-Services

Daten-

vorbereitung

Smart Platform:

Schnittstelle

Additive

Fertigung

Nach-

bearbeitung



24

In der Bionic Smart Factory 4.0 wird die additive

Fertigung zur Serienreife geführt

Aufbau in drei Ausbaustufen (1.0,

2.0 und 4.0)

Investition in vollständige,

teilautomatisierte Prozesskette

Standorte: Lüneburg und Hamburg

Branchen: Mobilität (Luftfahrt,

Automobil, Bahn), Medizintechnik,

Maschinenbau

Leistungen: Spare Parts on

Demand, Part Screening,

Produktion

Zertifikate: ISO 9001, DIN EN 9100

in Arbeit

Bionic Smart Factory 4.0



25

Bei der Optimierung der SLM-Prozesskette stehen die

Aufbauraten und manuelle Nachbearbeitung im Fokus

Vgl.: Möhrle, M. und Emmelmann, C.: Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung. In: ZWF 09/2016

Anteiliges Kostensenkungspotenzial bezogen auf Fertigungskosten (ohne Material) [%]

19

6

68

100

Draht- erodier-

maschine

Qualitäts- sicherung

Waermebe- handl./HIP

2

Generier- maschine

1

Fräs- maschine

Strahl- kammer

2 0

Hand- arbeits-

platz

2

Potenzial (normiert)

Arbeits- vorbereitung

Belichtungszeit

7%

Abrüsten

74%

Vorrüsten

16% Beschichtungszeit

3%



26

Zur signifikanten Erhöhung der Maschinen-

produktivität sind neue Konzepte erforderlich

Pro

ze

ss

ge

sch

win

dig

keit

Ein-Laser-System <200 W

Skin-Core 200 W / 400 W

Multi-Laser

4 x 400 W / 2x1000 W

Neue Technologien:

• Beschichtungstechnologie

• Vorheizen der

Prozesskammer

• Erhöhung der Laseranzahl

• Maskenbelichtung

• ...

2015 2020 2010 20xx

Produktivität x 10

Produktivität x 100

Produktivitätsplateau

erreicht?

Forschungsprogramm LZN / IAPT



27

Ersatzteile für die On Demand-Fertigung wählen wir

nach Total Cost of Ownership aus

Opportu-nitäts-kosten

Lager-haltung/ Handling

Serienkosten/Einkaufspreis

Unnötige Bauteile

Bestands-kosten

(Working Capital)

"Total Cost of Ownership"

(TCO)

Potenzial On

Demand-Fertigung

Kosten additive

Fert.

Unzulänglicher Vergleich

Zusatz-kosten für Kleinserie

Eine oder mehrere der “versteckten Kostenarten" werden

typischerweise übersehen – "Total Cost of Ownership“-Ansatz

notwendig!

Additive Fertigung kann

weitere Vorteile eröffnen

(kürzere Durchlaufzeit, etc.)

Konventionelle Prozesse1) Additive

Fertigung

Gesuchter Vergleich

1) Ja nach Anwendungsfall können Kostenarten (z.B. Opportunitätskosten) für die additive Fertigung anfallen



28

Spagat zwischen alter und neuer Technik

3D-Druck für Ersatzteile

Hohe Kosten

Warte-zeiten

Fahrzeug-stillstände

Keine Ersatzteile

vom Lüftungsgitter bis hin zur sicherheitsrelevanten Querdämpferkonsole

Hohe Produktivitätssteigerung für die Lasertechnik erwartet



29

Fabrikplanung für den industriellen 3D-Druck

Reale digitaler und maschineller 3D-

Druck Ideale Fabrikstruktur nach Pflichtenheft

Animation der 3D-Druck Operationen 3D-Visualisation der Fabrik

2 1

4 3



30

Zielgruppenorientiertes Trainingskonzept: Heraus-

forderungen bewältigen durch qualifizierte Mitarbeiter

Design Operations Management

Management

Roadmap

Workshop

Praxis

Training

Praxis

Training

Bionic

Design mit

Inspire

Design für

AM mit NX

Basis

Training Management

Training

Basis

Training

Design

Workshop

Consulting

Data

Preparation

Workshop

Management

Deep Dive

Trendanalyse

Benchmarks

Risk Assessment

Tech. Due Dilligence

Ihre Vorteile:

Wissenschaftlich fundiertes

und praxisrelevantes Know-

How

Werden Sie First Mover und

erlangen Sie einen

relevanten

Wettbewerbsvorteil

Praktische Übungen zur

Vertiefung des theoretischen

Wissens

Experten auf ihrem

Fachgebiet beantworten Ihre

Detailfragen

Minimierung von Kosten für

Fehldrucke

Part

Screening

Alles aus einer Hand: Ihr Start auf dem Weg zum "additive Leader"



31

Schulungskooperation Bugatti:

Bionischer Leichtbau im Automobilbau

Bionischer Scheibenwischerhalter (Chiron)

Bugatti am LZN, 16. Mai 2017

ca. 60% Gewichts-

reduzierung



32

Light Alliance – Das führende AM Industrie Netzwerk

mit bereits 32 Mitgliedern

In Verhandlung

OEMs Service provider Maschinenhersteller

https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Benteler_AG_logo.svg&filetimestamp=20090308124602&

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Logo_Trumpf.svg



33

Light Alliance 3.0: Die dritte Phase umfasst vier

eigenständige Workshops ab Januar 2018

Juni 2018

2018 2019

Losgröße 1 in der Bionic

Smart Factory 4.0 Serienproduktion

Change & Business

Model Innovation Ersatzteile On Demand

Januar 2019 Januar 2018

Juni 2019

Light Alliance 3.0

1 2 3 4



34

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Dipl.-Ing. F. Beckmann

[email protected]

LZN Laser Zentrum Nord GmbH

Am Schleusengraben 14

21029 Hamburg-Bergedorf

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