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3D Siebdruck: Ein Massenherstellungsverfahren für komplexe Bauteile

Dr.-Ing. Thomas Studnitzky

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Die Fraunhofer-Gesellschaft

Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Trägerorganisation für Einrichtungen der angewandten Forschung in Europa.

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Die Fraunhofer-Gesellschaft Forschung und Entwicklung  anwendungsorientierte Forschung zum unmittelbaren Nutzen für Unternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft  anwendungsorientierte Grundlagenforschung  Ressortforschung für das Bundesverteidigungsministerium Unternehmertum  Institute arbeiten als Profit-Center  ein Drittel des Budgets Einnahmen aus Industrieprojekten  Ausgründungen durch Fraunhofer-Forscher werden gefördert

Vertragspartner/Auftraggeber  Industrie- und Dienstleistungsunternehmen  öffentliche Hand

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Die Fraunhofer-Gesellschaft jährliches Forschungsvolumen

> 2,0 Mrd Euro

davon

ca. 1,6 Mrd Euro Vertragsforschung

erwirtschaftet

 zu ca. zwei Drittel aus Erträgen aus - Industrieprojekten sowie - aus öffentlich finanzierten

Forschungsprojekten  zu ca. einem Drittel von Bund und Ländern für

die Vorlaufforschung (Problemlösungen, die in fünf oder zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell sein werden)

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Fraunhofer-Gesellschaft Rostock

Itzehoe Lübeck Bremerhaven Bremen Hannover

Potsdam

Braunschweig

Berlin Teltow

Magdeburg Cottbus

Oberhausen Dortmund Duisburg Schmallenberg St. Augustin Aachen Euskirchen Darmstadt St. Ingbert

Halle Schkopau

22.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter



12 Institute bzw. Institutsteile in Dresden

Dresden Chemnitz Ilmenau

Erlangen

Fürth

Nürnberg

Stuttgart Freising

EfringenKirchen



Leipzig

Saarbrücken Karlsruhe Pfinztal

Freiburg

66 Fraunhofer-Institute und selbständige Einrichtungen in Deutschland

Jena

Würzburg

Kaiserslautern



 davon 4 im Institutszentrum Dresden

München Holzkirchen

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Fraunhofer-Standort Dresden 12 Institute, größter Standort der Fraunhofer-Gesellschaft ~1300 Mitarbeiter  FEP

Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik

 IFAM

Institut für Fertigungstechnik und Angewandte



Materialforschung, Institutsteil Dresden

 IIS

Institut für Integrierte Schaltungen

 IKTS

Institut für Keramische Technologien und Systeme

 IPMS

Institut für Photonische Mikrosysteme

 IVI

Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme

 IWS

Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

 IWU

Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik,



Institutsteil Dresden

 IZFP

Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren,



Institutsteil Dresden

 AVV

Anwendungszentrum für Verarbeitungsmaschinen



und Verpackungstechnik des Fraunhofer IVV

 COMEDD

Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und



und elektronische Bauelemente

 ASSID

Projektgruppe All Silicon System Integration Dresden des



Fraunhofer IZM

IPMS, COMEDD

ASSID

IZFP

IWU

IVI,EAS AVV

FEP, IFAM IKTS, IWS

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Institutszentrum Dresden (IZD) IFAM

Fraunhofer IKTS Ins titut für Keram is che Technologien und S y s tem e Fraunhofer IWS Ins titut für Werks toffund S trahltechnik Fraunhofer FEP

Ins titut für Elektronens trahlund Plas m atechnik Fraunhofer IFAM

Ins titut für Fertigungs technik und Angew andte Materialfors chung, Ins tituts teil Dres den

Nutzfläche: 27.900 m² Mitarbeiter: ~ 830

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Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

 Standorte:

Bremen und Dresden

 Institutsteile: - Formgebung und Funktionswerkstoffe - Klebtechniken und Oberflächen  Projektgruppen in Oldenburg und Stade

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Das Fraunhofer IFAM: Institutsteil Dresden Stammpersonal

62

Student. Hilfskräfte

28

Betriebshaushalt

6,8 Mio. €

Industrieerträge

32 %

Öffentliche Erträge

56 %

Grundfinanzierung

12 %

Investitionen Nutzfläche

0,8 Mio. €

Leiter: Prof. Dr.-Ing. Bernd Kieback

2470 m2

(Budget 2014)

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Organigramm Verwaltung Dipl.-Ing. Anne-Kathrin Schaarschmidt

Leiter des Institutsteiles Prof. Dr.-Ing. Bernd Kieback

Institut für Werkstoffwissenschaft

Sekretariat

Professur für Pulvermetallurgie, Sinter- und Verbundwerkstoffe

 Zellulare metallische Werkstoffe Dr.-Ing. Olaf Andersen

 Metallische Hohlkugeln und offenzellige Metallschäume Dr.-Ing. Peter Quadbeck

 Fasermetallurgie Dr.-Ing. Olaf Andersen

 3D Metal Printing Dr.-Ing. Thomas Studnitzky

 Wasserstofftechnologie Dr. rer. nat. Lars Röntzsch

Claudia Lieber

 Sinter- und Verbundwerkstoffe Dr.-Ing. Thomas Weißgärber

 Leichtmetalle und Verbundwerkstoffe Dr.-Ing. Thomas Schubert

 PM-Technologien und Tribologie Dipl.-Ing. Gunnar Walther

 Sintertechnologien und Funktionswerkstoffe Dr. Vicente Pacheco (komm.)

 Energie und Thermisches Management Dr.-Ing. Jens Meinert

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Verfahren und Bauteile

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3D mit Siebdruck?  2D Siebdruck existiert seit ~200 Jahren

 Üblicherweise flache Strukturen bis 200 µm  Breite Nutzung in industriellen Applikationen  Electronic Schaltungen, Photovoltaik, Dichtungen, Tastaturfolien, etc...

10 mm

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3D-Siebdruckprozess am IFAM Dresden  Generatives Fertigungsverfahren, patentiert durch Fa. Bauer Technologies, Schwerpunkt keramische Werkstoffe  Seit 2008 eigene 3D-Siebdruckanlage am Fraunhofer IFAM

Dresden  Arbeitsgruppe „3D Metal Printing“, Personalstärke 2014: sechs Wissenschaftler, ein Techniker  Inbetriebnahme einer neuen 3D-Siebdruckanlage im Juni 2014

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3D-Siebdruckprozess

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Anforderungen 3D-Siebdruck  Verknüpfung von Know-How aus konventionellem 2D-Siebdruck und klassischer Pulvermetallurgie

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Siebdruckbauteile

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Eigenschaften Siebdruck  Strukturabmessungen ab 60 µm  Maximale Höhe mehrere Zentimeter  Hohes Aspektverhältnis (>> 100)  Umformbare und bearbeitbare Grünteile

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Eigenschaften Siebdruck  Echte dreidimensionale Strukturen möglich  Geschlossene Kanäle ohne Stützstruktur  Hinterschneidungen, Brücken oder waagerechte Blenden möglich  Realisierung von Wunschbauteilen

1 mm

10 mm possible geometry © Fraunhofer IFAM Dresden Institutsteil Dresden

Bauteilpräzision  Konstante Wanddicke  Konstante Zellgröße  Druckhöhen zwischen 10 und 40 µm

100 µm walls © Fraunhofer IFAM Dresden Institutsteil Dresden

Werkstoffe  Alle Werkstoffe, die als Pulver verfügbar sind  Stahl, Ti, Cu, MoSi2, Ni, TiAl6V4, Mo, W, Edelmetalle, Keramiken, Glas, Seltene Erden, Kunststoff….

5 mm Printed parts of steel copper and MoSi2

SE picture of typical copper powder (source: Atmix)

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Materialkombinationen (Mehrfarbendruck)  Verschiedene Kombinationen möglich

 Gradierte Strukturen (z.B. unterschiedliche Werkstoffe)  Paralleles Drucken etwa magnetische – unmagnetische Stähle oder elektr. Leitende – isolierende Werkstoffe  Pulvermischungen

Ceramic

Steel Graded structure metal / ceramic

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Siebe  Externe Herstellung (Koenen, Micron)

 Ähnliche Siebe wie in Photovoltaik  Kaum Optimierungen auf den 3D-Siebdruckprozess bisher  Theoretische Nassschichtdicke 30-40 µm Druckhöhe 15-20 µm, unabhängig vom Sieb

10 mm

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Bauteilrauheit  Hohe Oberflächenqualität  Überstruktur durch Sieb

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Überstrukturen durch Sieb  Ursache Wechselwirkung Sieb / Beschichtung  Mögliche Verringerung durch feineres Pulver und feineres Sieb  Nachträglicher Abtrag der Mikrorauheit durch Polieren

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Equipment, Pasten und Postprozessing

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Neue Laboranlage Anfang 2014  Zwei Drucktische  Verkürzung Entwicklungszeiten  Erhöhter Ausstoß von Bauteilen  Max. Bauteilfläche 30x30 cm  Ex-geschützte und klimatisierte Drucktischeinhausung  Lösemittelbasierte Pasten  Sauerstoffempfindliche Werkstoffe  Freie Druckparameterwahl

 Umfangreicher Datenlog  Einbindung von UV-Härtung © Fraunhofer IFAM Dresden Institutsteil Dresden

Neue Laboranlage Anfang 2014

 Zwei Drucktische  Verkürzung Entwicklungszeiten  Erhöhter Ausstoß von Bauteilen  Max. Bauteilfläche 30x30 cm  Ex-geschützte und klimatisierte Drucktischeinhausung  Lösemittelbasierte Pasten  Sauerstoffempfindliche Werkstoffe  Freie Druckparameterwahl  Umfangreicher Datenlog  Einbindung von UV-Härtung © Fraunhofer IFAM Dresden Institutsteil Dresden

Weitere Ausstattung  Suspensionslabor  Rheometer  Verschiedene Mischeinrichtungen  Feuchtebestimmung  Akkreditiertes Pulverlabor  Optische und Elektronenmikroskopie  Bestimmung von chemischen Verunreinigungen  C, O, S, N, H

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Nutzung aller relevanter Pasteneinflussgrößen  Wechselwirkung von Werkstoff und Binder  Einfluss von Pulverform und Oberfläche  Einstellung Viskosität in Ruhe / Belastung

 Trocknungs- und Sedimentationsverhalten  Gezielte Temperierung … Nutzung von pulvermetallurgischer Kompetenz Entwicklung alternativer Siebdruckpasten

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Anforderungen Siebdruckpaste  Sehr hohe Anforderungen an Suspension  Gegenseitige Beeinflussung von Maschinen- und Pastenparameter  Genaue Kenntnis aller Prozessparameter unabdingbar  Rheologieanpassung zentrale Bedeutung für 3D-Siebdruck

Sedimentation einer Siebdrucksuspension (Quelle: Bauer Technologies)

Geometrien erfordern genaue Prozesskenntnis

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Pulvereinfluss auf Rheologie  Chemische Wechselwirkung von Pulvermaterial und Binder  Einfluss von Werkstoff, Pulverform und Oberfläche

Viskosität [a.u]

Ruhephasen

316L 10F 316L 3F 313L 10R

Scherbelastung 60

120

180

240

300

Cu 3F

360

420

d50

Spez. Oberfläche

[µm]

[m2/g]

316L 10F

6

0,36

316L 3F

2-4

0,66

316L 10R

6

0,27

Cu 3F

3,4

0,41

480

t [s] Abhängigkeit der Viskosität vom Pulver im Sprungversuch

Verwendete Pulver (Hersteller Atmix)

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Einfluß Pulverbeladung  Erhöhung der Strukturviskosität mit steigendem Pulveranteil  Bei hohem Pulveranteil starke Viskositätsveränderung

Viskosität [a.u.]

Viskosität [a.u.]

 Irreversiblen Zerstörung des Binders mit zunehmendem Pulveranteil

87% 77% 74% 60% 40%

50

100

t [s] Abhängigkeit der Viskosität vom Pulvergehalt (316L) im Sprungversuch

150

90% 87%

77% 70% 40% 0%

83%

0

500

1000 Scherrate [s-1]

1500

2000

-1

Scherrate [s ]

Abhängigkeit der Viskosität vom Pulvergehalt (316L) unter Scherbelastung

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Komplexes Schubmodul – Speicher- / Verlustmodul  Schubmodul setzt sich aus elastischem Anteil (Speichermodul) und viskosen Anteil (Verlustmodul) zusammen  Messung erlaubt Bestimmung von Flüssigkeits- und Festkörpereigenschaften einer Suspension

Speicher- und Verlustmodul im Sprungversuch

Fließgrenze

Nachgebegrenze

lg Speichermodul lg Verlustmodul

lgSchubspannung Amplitudentest zur Detektierung von Nachgebe- und Fließgrenze

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Suspensionsmodifikation durch Verdicker  Beeinflussung der Suspensionscharakteristik durch Auswahl zwischen newtonschen oder strukturviskosem Verdicker  Durch Wahl von Verdicker Einstellung von Verlustwinkel  Verdicker wesentlich zur Einstellung der prinzipiellen rheologischen Eigenschaften Viskosität[a.u.]

Visko sit ä t

Sch e rra t e Viskositätsverlauf verschiedener reiner Verdicker (Quelle: OMG Group)

Verdicker 1 Verdicker 2 Verdicker 3 Verdicker 4

100

200

t [s]

300

400

500

Sprungversuch einer Suspension mit verschiedenen Verdickern

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Suspensionsmodifikation durch Verdicker  Beeinflussung der Suspensionscharakteristik durch Auswahl zwischen newtonschen oder strukturviskosem Verdicker  Durch Wahl von Verdicker Einstellung von Verlustwinkel möglich Verdicker 1 Verdicker 2 Verdicker 3 Verdicker 4

Verlustwinkel [°]

80

60

40

20

0 100

200

300

400

500

t [s]

Unterschiedlicher Verlustwinkel trotz ähnlichem Viskositätsverlaufs (Bild links)

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Viskosität [a.u.]

Verlust- und Speichermodul [a.u.]

Verdickereinfluß auf Druckqualität

Zeit [s]

Zeit [s]

Pu lve rp a rt ike l

Suspensionen mit ähnlichem Viskositätsverlauf führen zu unterschiedlichen Ergebnissen

Verlust- und Speichermodul [a.u.]

Lö ch e r Dru ckfe h le r

Zeit [s] von Suspensionen Verlust und Speichermodul mit ähnlichem Viskositätsverlauf (links oben)

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Kontrolle mechanische Eigenschaften  Grünteile erfahren während des Drucks hohe mechanische Belastungen  Grünteile neigen nach Trocknung zu Rissen

 Durch Einsatz von Plastifizierern Einstellung zwischen sprödem und elastischem Verhalten möglich

Zu geringer Plastifiziereranteil führt zu erhöhter Sprödheit

Hoher Plastifiziereranteil ermöglicht hohe Umformbarkeit

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Binderentfernung in der Wärmebehandlung (Beispiel Chrom-Nickelstahl 316L)  Organische Bestandteile müssen vollständig entfernbar sein  Besondere Herausforderung bei „schwierigen“ Werkstoffen, z.B. Titan, seltene Erden, empfindliche Stähle  Einsatz von Infrarotspektroskopie zur Optimierung Entbinderung S intered S tructures

S pecification 316L

C

(m .-%)

0.017

< 0.03

O

(m .-%)

0.040

-

N

(m .-%)

0.001

< 0.11

 Bindersystem mit Stahlpulver kompatibel

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Sinterschrumpf nach Wärmebehandlung  Nach Binderentfernung Schrumpf bei Sintertemperatur  Schrumpf 15-25 % (abhängig von Pulverbeladung in Paste)  Einstellung der Porosität bis zu 100% theoretische Dichte

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Projekte und Beispiele

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Auswahl öffentlich geförderter Projekte Forschungsthemen

Industriepartner

Entwicklung von Bauteilen für kupferbasierte Methanolreformer (BMBF)

Wieland Werke, Bauer Technologies, WS Reformer

Entwicklung von Komponenten für Elektroantriebe (BMBF)

Wittenstein, ASYS Automatisierungssysteme, Micron

Ersatz von Kühlkompressoren durch magnetokalorisch aktive Strukturen aus Seltenen Erden (EU)

Vacuumschmelze Hanau, Indesit, Camfridge

Herstellung von optimierten Schleifperlen aus MMCs (kmu-inno)

DiaBü, Koenen, Lixos, Steinwerk Tringenstein, Jogerst Stein Technologie

Bauteilentwicklung zur Strahlfokussierung aus Refraktärmetallen (BMBF)

H.C. Starck, Siemens

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Projektübersicht (Auszug) Direkte Industrieprojekte  Alternative Herstellung von Spezialhülsen für die Medizintechnik (Stahl)  Heizstrukturen aus Refraktärmetallbasis  Mikromischer für die Verfahrenstechnik (Stahl)

 Bauteile für den Personenschutz im Automotivbereich (Eisenbasis)  Schmuck aus Edelmetallen

 Bauteile für die Medizintechnik aus Formgedächtnislegierungen

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Beispiel: Bipolorplatte Brennstoffzelle  Integrierte Kanalstruktur

 Ziel: Reduzierung Größe, Gewicht und Kosten  Strukturgrößen< 100 µm

10 mm © Fraunhofer IFAM Dresden Institutsteil Dresden

Beispiel: Mikrokühler

CAD sketch of a micro cooler Flowfield design via COMSOL

10 mm 120 µm thin structures

20 mm

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Projektbeispiel: Bauteil aus Refraktärmetall  Einschränkungen schwer umformbarer Werkstoff  Wunschgeometrie nicht realisierbar

 Mehrere Verarbeitungsschritte bei > 2000° C  80 % Ausschuss von Primärmaterialeinsatz  Endformnaher 3D-Siebdruck  Wunschgeometrie realisierbar  Verringerung von Energieeinsatz und Materialverbrauch  Kostensenkung

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Beispiel: Komponenten für elektrische Antriebe  Konventionelle Herstellung komplex und keine Weierentwicklung möglich

Ceramics

 Für innovative Antriebe neue Konzepte notwändig

 Ansatz: Kompaktes Bauteil ohne Packaging  Integration von zusätzlichen Funktionen (z.B. Kühlung)

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Beispiel_ Magnetokalorik als aktive Elemente für Kühlschränke  Bisher Kühlkompressoren

Seltene Erden

 Limitierte Effizienz  Kaum Weiterentwicklung möglich  Magnetokalorischer Prozess mit höherer Effizienz  Geometrieen mit anderen Verfahren kaum herstellbar

Quelle: Indesit

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Anwendungsbeispiel: Lochblechfilter  Platte aus Übergangsmetall 200 x 200 x 1 mm mit 196000 Löchern (Alle 0,2 mm ein Loch mit 0,2 mm)

 Zur Zeit alle gebohrt -> hohe Fertigungskosten bisher  Kosteneinsparung durch 3D-Siebdruck

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Katalysatorträger  Kooperation Bauer Technologies mit Automobilzulieferer  Filterelement aus hochabrasiven SiC  Bauteilhöhe 12,5 cm  Bauteildurchmesser 14,5 cm

 Waagerechte Strömungsblenden durch Strangpressen nicht herstellbar

Quelle: Bauer Technologies

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Anwendungsbeispiel: Mikrobauteile  Mikrohülsen für elektrische Aufgaben  Bauteil mit Hinterschnitten (fünf Siebe)  ~3500 Bauteile gleichzeitig auf Laboranlage IFAM Dresden

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Upscaling und Produktivität

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Potentielle Massenfertigung  IFAM Dresden Laboranlage Druckfläche etwa DIN A4  -> 3500 Teile pro Tag -> 700.000 Teile pro Jahr (s. Bild)  Z.Zt. ca. eine Minute pro Drucklage bei 15-20 µm Druckhöhe

Drucktisch Druckstation Mikrohülsen mit 2 mm Durchmesser

Laboranlage IFAM Dresden

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Possible upscaling for mass production  Laboranlage IFAM Dresden (neu)  Zwei Drucktische (300 x 300 mm²) -> 1.500.000 Teile/Jahr

 Mögliche Produktionsanlage  Fünf Drucktische (400 x 600 mm²) -> 7.000.000 Teile/Jahr  Mögliche Massenproduktion  12 Tische / 4 Druckstationen  Erhöhung Ausstoß  Druck von komplexen Teilen

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Kostenbetrachtungen I  Siebdruck ist industriell vielfältig genutztes Verfahren (Elektronikindustrie, Solarzellen, Brennstoffzellentechnik)  Robuster und serientauglicher Prozess mit hoher Präzision

 Dreidimensionaler Siebdruck vor allem sinnvoll, wenn sehr günstige Verfahren (z.B. Prägen) schwierig sind  Dreidimensionaler Siebdruck sinnvoll bei hohen Stückzahlen

 Bauteile mit vielen Sieben sind zu vermeiden (Anlagen- und Rüstkosten)  Produktivität skaliert linear mit Bauteilvolumen und Druckfläche

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Kostenbetrachtungen II  Siebkosten von Pulverfeinheit und Bauteilanforderungen abhängig  Siebverschleiß gering

 Pulver geringe Anforderungen bei Arbeitsschutz und Entsorgung  Binderkosten gegenüber Pulverkosten vernachlässigbar

 Druckmassenaufbereitung unaufwändig

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Generative Fertigung metallischer Bauteile durch 3D-Siebdruck

Hohlräume / Kanäle möglich 3D-Freiformen aufwändig Mehrkomponenten-Bauteile

Entwurf

Geringe Werkzeugkosten

Massenfertigung möglich Große Werkstoffvielfalt Mittlere Oberflächengüte

Ggf. Nachbearbeitung

Werkzeug

Fertigung

Postprocessing

Generative Fertigung metallischer Bauteile durch Strahlverfahren (SLM, EBM)

Keine Hohlräume möglich Hohe Designfreiheit Stützstrukturen notwendig

Werkzeugfrei

Geringe Stückzahlen Geringe Oberflächengüte Mäßige Werkstoffvielfalt

Oberflächenbearbeitung Spannungsfrei glühen

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Generative Fertigung metallischer Bauteile durch 3D-Siebdruck

Hohlräume / Kanäle möglich 3D-Freiformen aufwändig Mehrkomponenten-Bauteile

Entwurf

Geringe Werkzeugkosten

Massenfertigung möglich Große Werkstoffvielfalt Mittlere Oberflächengüte

Ggf. Nachbearbeitung

Werkzeug

Fertigung

Postprocessing

Serienfertigung metallischer Bauteile durch Metallpulver-Spritzguss (MIM)

Freie Außenkonturen Innere Freiformen begrenzt Keine Hohlräume

Kostenintensives Werkzeug

Massenfertigung möglich Hohe Oberflächengüte

Keine Nachbearbeitung

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Verfahrenseinordnung 3D-Siebdruck

Rapid Prototyping

Spritzguss

+ Geringe Strukturgrößen (minimal ~60 µm)

- Hohe Strukturgrößen (in der Regel > 200 µm)

Mittlere Strukturgrößen (minimal ~100-150 µm)

+ Komplexe Innenstrukturen (Hohlräume, Kanäle)

- Keine geschlossenen Kanalstrukturen

- Keine geschlossenen Kanalstrukturen

+ Großserientauglich

- Nicht Großserientauglich

+ Großserientauglich

- Nicht „Rapid“

+ Schnelle Produktumsetzung

- Nicht „Rapid“

- Freiformen nur bedingt möglich

+ Weitgehende Designfreiheit

+ Weitgehende Designfreiheit (außen)

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Verfahrenseinordnung

[Tausend Stück]

Bauteile / Jahr

1000 T 500 T

Sinterformteile

Metallpulverspritzguss 3D-Siebdruck

100 T 50 T

Mechanische Bearbeitung Feinguss

10 T

RP-Techniken

Geometrischer Schwierigkeitsgrad klein

mittel

groß

Quellen: Schunk Group, MIMTechnik

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Zusammenfassung 3D-S iebdruck is t ein geeigneter Prozes s zur Hers tellung v on kom plex en und präzis en S trukturen

Eigens chaften:  Echte dreidimensionale Teile möglich  Weitgehende Materialfreiheit  Poröse und dichte Strukturen möglich

 Prozessgrenzen noch nicht ausgeschöpft

Kundenv orteile:  Wunschbauteile mögliche  Kosteneffiziente Massenfertigung  Ergänzung anderer Fertigungsmethoden

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Vielen Dank !

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