Workshop Additive Fertigung von Kunststoffbauteilen in der Praxis │ Sebastian Frank 1
M.Sc. Sebastian Frank | Additive Manufacturing Application Engineer
Konstruktion für die additive Fertigung am Beispiel desMulti Jet Fusion (MJF) Verfahrens
Jena | 23. Januar 2020
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▪ 1997 gegründet
▪ 195 Mitarbeiter
▪ 49 Mio. Euro Jahresumsatz (2019)
▪ 12 Standorte in ganz Deutschland
▪ Geschäftsführer: Werner Meiser
▪ Über 5.200 Kunden deutschlandweit
▪ Unter den Top 3 der größten deutschenSOLIDWORKS Reseller
▪ Deutschlands größter HP 3D-Druck Reseller
▪ Zertifizierter Desktop Metal Reseller seit 2018
Solidpro Informationssysteme GmbHKurzinfo
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▪ Langenau (Zentrale)
▪ Ettlingen
▪ Forchheim
▪ Garching
▪ Leipzig
▪ Memmingen
▪ Neckarsulm
Memmingen
Langenau
GarchingVöhringen
Ettlingen
Neckarsulm Schwabach
Forchheim
Seligenstadt
Leipzig
Paderborn
Solingen
▪ Paderborn
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▪ Seligenstadt
▪ Solingen
▪ Vöhringen
Solidpro Informationssysteme GmbHStandorte
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Ölzufuhr
Neugestaltung eines konventionellgefertigten Bauteils
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Bauteilinformationen:
• Klassisches Dreh-/ Fräsbauteil
• 3 Sacklochbohrungen mit Ø 9 mm
• 4 Gewindebohrungen M4
• 3 Anschlusspunkte
• Kühlrippen zur Kühlung des Mediums
• Ausgangswerkstoff: Al
• Bauteilabmaße: 104 x 50 x 50 mm
Ausgangssituation:Konventionell gefertigtes BauteilBauteilinformationen
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Werkstück wird durch Materialabtrag gefertigt.
Aus einem Materialblock wird mit Hilfe von spanabhebenden Verfahren (Fräsen, Bohren, Drehen,…) das Werkstück erstellt.
Je mehr Material abgetragen wird, desto teurer das Bauteil.
Schicht für Schicht wird Material aufgetragen (Schichtbauprinzip).
Es werden keine Bearbeitungswerkzeuge benötigt.
Je weniger Material aufgetragen wird, desto günstiger das Bauteil.
Fertigungsverfahren im VergleichKonventionelle vs. additive Fertigung
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Originales Bauteil
Umkonstruktion „Design for additive Manufacturing“
Optimierung/ Volumenreduktion für die additive Fertigung
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1https://www.materialise.com/; ²https://3ddruckkaufhaus.de/; ³https://additive-innovation.com/; 4https://de.cleanpng.com/; 5https://www.kade-gmbh.de/; 6https://arinda.de/; 7https://en.wikipedia.org/wiki/CATIA
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Möglichkeiten der BauteilveränderungÜbersicht
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Vo
rde
ransic
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Wandstärken zwischen 2,5
und 3,5 mm unkritisch.
Für die additive Fertigung zu
viel Volumen!
Reduzierung des BauteilvolumenWandstärkenanalyse
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Volumen: 68,6 cm³Volumen: 169,0 cm³
-59,4%
Anbringen von Lattice-Strukturen zur VolumenreduzierungVorher-Nachher-Vergleich
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Jobhöhe: 380 mm
Packungsdichte: 9,4%
Fertigungskapazität:
56 Bauteile können in 10 Stunden gedruckt werden.
PD =Bauteilvolumen
Gesamtvolumen
Definition Packungsdichte:
Einsatz in der FertigungGepackter Bauraum
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Originales Bauteil
Umkonstruktion „Design for additive Manufacturing“
Optimierung/ Volumenreduktion für die additive Fertigung
2
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1https://www.materialise.com/; ²https://3ddruckkaufhaus.de/; ³https://additive-innovation.com/; 4https://de.cleanpng.com/; 5https://www.kade-gmbh.de/; 6https://arinda.de/; 7https://en.wikipedia.org/wiki/CATIA
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Möglichkeiten der BauteilveränderungÜbersicht
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• 2x Flansch mit Ø 9 mm und
zwei M4 Gewindebohrungen
• 1x Ablauf mit Innen-Ø 9 mm;
Außen- Ø 16 mm
• Kühlung des Mediums
• Flanschpositionen vorgegeben
Kühlung
des
Mediums• Druckbereich bis max. 3 bar
Umkonstruktion hinsichtlich additiver FertigungAnforderungen an das Bauteil
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Bauteiloptimierung
Seitenansicht
Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Strömungsoptimierung:
Überarbeitung der Bohrungsgeometrie
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Bauteiloptimierung
Seitenansicht
Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Modellierung der Gewinde im CAD
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Bauteiloptimierung
Seitenansicht
Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?
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Bauteiloptimierung
Seitenansicht
Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Volumenreduzierung unter
Berücksichtigung der Wandstärken
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Bauteiloptimierung
Seitenansicht
Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Dimetrisch
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BauteiloptimierungWas kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Volumenreduzierung unter
Berücksichtigung der Wandstärken
Dimetrisch
Draufsicht
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Bauteiloptimierung
Draufsicht
Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Volumenreduzierung unter
Berücksichtigung der Wandstärken
Dimetrisch
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Bauteiloptimierung
Draufsicht
Was kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Dimetrisch
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BauteiloptimierungWas kann an diesem Bauteil verbessert werden?
Volumenreduzierung
auf eine Wandstärke
von 1,5 mm
Dimetrisch
Vorderansicht
Bauteilschnitt
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Bauteiloptimierung
Seitenansicht
Problem: Kühlrippen
Wärmeleitfähigkeit λ W/(m·K)
Aluminium ~ 204*
Polyamid 12 ~ 0,21** *Quelle: Tabellenbuch Metall, EUROPA LEHRMITTEL (Auflage 46)
**Quelle: Konstruktionselemente der Feinmechanik, Carl Hanser Verlag München ( Auflage 4)
Im Vergleich zu
Aluminium ist
Kunststoff (PA 12)
ein sehr schlechter
Wärmeleiter (siehe
Tbl. Wärmeleit-
fähigkeiten).
Faktor: 971
Dimetrisch
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Lösung:Vergrößerung der Oberfläche
Kühlrippen Aluminium Bauteil: Helix des AM optimierten Bauteils:
Es wird die Oberfläche mit Hilfe einer Helix vergrößert .
Dadurch wird der Weg, den das Medium zurücklegen
muss länger und der notwenige Kühleffekt wird erreicht.
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BauteiloptimierungAnbringung der Helix an das Bauteil
Seitenansicht
Dimetrisch
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• 2x Flansch mit Ø 9 mm und
zwei M4 Gewindebohrungen
• 1x Ablauf mit Innen-Ø 9 mm;
Außen- Ø 16 mm
• Kühlung des Ablaufs
• Flanschpositionen eingehalten
• Druckbereich bis max. 3 bar
Kühlung des Ablaufs
Umkonstruktion hinsichtlich additiver FertigungÜberprüfung der Anforderungen
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BauteiloptimierungModellierung einer Entpulverungshilfe
Seitenansicht
Dimetrisch
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Ölzufuhr
Einsparpotentiale durch eine AM Bauteiloptimierung
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95%Gewichtsreduzierung
482g
“Ursprüngliches Design”Aluminium (konventionell)
23g
“Optimiertes Design”Kunststoff (3D-Druck)
70g
“Ursprüngliches Designvolumenreduziert”
Kunststoff (3D-Druck)
85%Gewichtsreduzierung
EntwicklungGewichtsersparnis
Einsparpotentiale durch die UmkonstruktionGewichtsersparnis
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Jobhöhe: 380 mm
Packungsdichte: 4,6%
Fertigungskapazität:
79 Bauteile können in 10 Stunden gedruckt werden.
PD =Bauteilvolumen
Gesamtvolumen
Definition Packungsdichte:
Einsatz in der FertigungGepackter Bauraum mit strömungs-optimierten Bauteilen
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169 cm³
“Ursprüngliches Design”Aluminium (konventionell)
22,8 cm³
“Optimiertes Design”Kunststoff (3D-Druck)
68,6 cm³
“Ursprüngliches Designvolumenreduziert”
Kunststoff (3D-Druck)
PreisMax.*: 205 EUR
PreisMin.**: 26 EUR
PreisMax.*: 34,16 EUR
PreisMin.**: 19,52 EUR
PreisMax.*: 22,14 EUR
PreisMin.**: 12,65 EUR
*bei Stückzahl 1
**bei hoher Stückzahl (n > 100)
Einsparpotentiale durch die UmkonstruktionKostenersparnisse
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Solidpro Informationssysteme GmbH
Benzstraße 15
DE-89129 Langenau
Konstruktion für die additive Fertigung am Beispiel desMulti Jet Fusion (MJF) Verfahrens
Jena | 23. Januar 2020