Smart Manufacturing als Schlüsseltechnologie für Hochleistungskeramiken
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Smart
Manufacturing
als
Schlüsseltechnologie
für
Hochleistungskeramiken
BMBF
Workshop
„Zukun
Was
ist
Smart
Manufacturing?
AutomaJsierte
und
EDV-‐gesteuerte
Herstellungsverfahren
machen
Fabriken
flexibler,
sicherer
und
ökologisch
nachhalJger:
• hohe
Effizienz
in
Energie-‐
und
Materialnutzung,
sowie
im
Anlagenbetrieb
• Gestaltungsfreiheit
und
Flexibilität
durch
InformaJonaustausch
in
Echtzeit
• schnellere
ReakJon
auf
Wechsel
in
Nachfrage
und
WeYbewerb
• verkürzte
Time-‐to-‐Market
Intervalle
• schnellere
Individualisierung
von
Produkten
Dafür
sind
zwei
Schlüsseltechnologien
für
die
Keramikindustrie
entscheidend:
• AddiJve
FerJgungsverfahren
• Energieschonende
Kurzzeitsintertechnologien
2
AddiJve
FerJgungsverfahren
Cara
Heraeus
Kulzer
SubtrakJv
Stereolithographie
Lasersintern
(SLA)
(SLS
/
SLM)
AddiJv
3D-‐Drucken
Fused
DeposiJon
Modelling
J.
Presser
(2012)
TU
Darmstadt
(3DP)
(FDM)
3
AddiJve
Verfahren:
Vorteile
• Prototypen,
Musterbauteile
schnell
und
unmiYelbar
aus
CAD-‐Daten
herstellen
-‐
ohne
den
Einsatz
von
Formen
oder
Werkzeugen
• Bauteile
mit
beliebiger
Stückzahl,
individuellem
Design
und
kurzen
ProdukJonszeiten
(On-‐
demand)
• „Design-‐driven
manufacturing
process“,
bei
dem
die
KonstrukJon
die
FerJgung
besJmmt
–
und
nicht
umgekehrt
• EinzigarJge
Bauteile
mit
komplexer
Geometrie
4
Industrielle
Entwicklung
ProducJon
of
AM
Parts
for
Final
Products
(%)
„Von
tradi+onellen
Verfahren
unmi2elbar
auf
3D-‐Herstellungstechnologien
umzustellen,
rechnet
sich
nicht.
Sta2
dessen
erlaubt
ein
Ansatz,
bei
dem
der
Herstellungsprozeß
den
Designanforderungen
folgt,
bessere
Produkte
herzustellen.
Mit
addi+ven
Herstellungs-‐
verfahren
ist
Bauteilkomplexität
kein
Problem
mehr.
Das
erlaubt
es,
gleichzei+g
Gewicht
sowie
Material
einzusparen
und
die
Leistungsfähigkeit
zu
steigern.
“
Greg
Morris,
Strategy/Business
Development
Manager,
GE
AviaJon
5
AddiJve
FerJgung
von
Keramiken
Spezielle
Herausforderungen
wie
die
IdenJfikaJon
von
Schlicker-‐
Zusammensetzungen
und
die
nachträgliche
Verdichtung
haben
bisher
die
Entwicklung
von
addiJv
geferJgten
keramischen
Bauteilen
gehemmt.
Lithoz
WZR
Ceramic
SoluJons
GHI
RWTH
Aachen
Fraunhofer
IKTS
“
Dem
Stadium
einer
Kuriosität
im
Labor-‐
oder
Hobby-‐Maßstab
entwachsen,
öffnen
addi+ve
Fer+gungsverfahren
die
Türen
zu
vollständig
neuen
Denkansätzen
im
Bauteildesign
und
treiben
eine
milliardenschwere
Industrie.”
BulleJn
of
the
American
Ceramic
Society
,
April
2014
6
IniJaJven
InternaJonal:
• „AmericaMakes“-‐Programm
(NaJonal
AddiJve
Manufacturing
InnovaJon),
Präsident
Obama
in
2013
• Factories
of
the
Future
(FoF),
Public-‐Private
Partnership
(PPP)
innerhalb
Horizon
2020
• Advanced
Manufacturing
Lab
(AML),
GE
Industrial
SoluJons
Deutschland:
• DGM-‐Fachausschuss
AddiJve
FerJgung
• FA
105
AddiJve
Manufacturing
des
VDI
• FA
13
„GeneraJve
FerJgung
–
Rapidtechnologien”
des
DVS
• Fraunhofer-‐Allianz
GeneraJve
FerJgung
7
Ziele • Exakte MaßhalJgkeit und exzellente Materialeigenscha
Forschungsbedarf • Keramische Ausgangsstoffe für die GeneraJve FerJgung • Modellierung und ProzesssimulaJon • Kontrolle der Sinterschwindung komplexer Komponenten und der Restspannungen • Sehr kleine (10 cm) Strukturen • Erzeugung komplexer 3D-‐Muster, d.h. Kavitäten und Kanalstrukturen • Gradierte Strukturen und lokal variierbare Materialeigenscha
Die
zweite
Schlüsseltechnologie
Rapid
prototyping...
Aber
langsame,
energieintensive
thermische
Behandlung?
Schwer
zu
verdichtende
Werkstoffe?
Materialien
und
WerkstowombinaJonen
in
thermodynamischen
Ungleichgewicht?
F.
Wakai
J
Am
Ceram
Soc
(2006)
Kurzzeitsintertechnologien:
ü Sind
energieschonende
Herstellungsverfahren
für
keramische
Werkstoffe
und
Bauteile
ü Ermöglichen
ein
schnelles
Materialscreening
und
die
Entwicklung
neuer
Komposite
und
Werkstoffverbunde
10
Feldunterstütze
Sintertechnologien
• Field
Assisted
Sintering
/
Spark
Plasma
Sintering
und
ähnliche
Methoden
(Electro-‐Discharge
Sintering,
Direct
Hot
Pressing
etc.)
Pulverkonsolidierungsmethode unter
• Mechanischer Druckspannung
• Elektrischem Strom
Vorteile:
• Hohe Heiz- und Abkühlraten
• Durchlaufzeit von 20-30 min.
statt mehrerer Stunden
Materialeigenschaften beeinflussen
den Prozess
J.E. Garay, Annu. Rev. Mater. Res. (2010) 11
Erfolge FAST/SPS Dichte Targets (bis 40 cm Durchmesser) für DünnschichYechnologien basierend auf Abscheidung aus der Gasphase 2D/3D-‐geformte Bauteile aus Nitrid-‐ und Karbidkeramiken VenJlkomponenten aus dichtem, reinem TiC Komplexe Legierungssysteme (schmelzmetallurgisch nicht herstellbar) 12
InternaJonale
Lage
Si3N4/Al2O3
Bauteile
für
Homogenisatoren
In
Japan
hergestellte
SPS
Anlagen
(2012)
• Expertenkreis
FAST/SPS
im
GemeinschaFeldunterstütze
Sintertechnologien
• Mikrowellensintern
• „Flash“
Sintering
J.
Francis,
R.
Raj,
University
of
Colorado
„flash
sintering
could
be
one
of
the
most
profound
and
disrup+ng
developments
in
materials
in
the
last
50
years“
American
Ceramic
Society
BulleJn
(2013)
14
Notwendigkeit
systemaJscher
Grundlagenforschung
Antrag
für
die
Einrichtung
eines
neuen
DFG-‐
Schwerpunktprogramms:
Electric
and
magne5c
field
controlled
manipula5on
of
ma9er:
Towards
novel
synthesis
and
processing
routes
of
inorganic
materials
• Materialsynthese,
welche
durch
konvenJonelle
thermische
bzw.
mechanische
Verfahren
nicht
erreicht
werden
kann
• Einstellung
von
maßgeschneiderten
Mikrostrukturen,
Texturierung
durch
unabhängige
Kontrolle
von
Phasenumwandlungen
oder
Kornwachstum
• Kontrollierte
von
Defektbildung
und
-‐heilung
TechnologieorienJerte
Forschung
(BMBF):
• Entwicklung
von
energiesparenden
Sinter-‐
und
Formgebungsmethoden
• Endkonturnahe
ProdukJon
mit
hohen
Verformungsgeschwindigkeiten
unter
reduziertem
Druck
und
Temperatur
15
PotenJelle
Anwendungen
• Neue
Materialien
und
einzigarJge
WerkstowombinaJonen:
- DefektredukJon
(bessere
Verdichtung,
kleinere
Korngröße)
und
Nanomaterialien
- Ultrahochtemperaturkeramiken
B C
Direction of
Compressive Force
- Thermoelektrika
B C
- Metall-‐Keramik
Verbundwerkstoffe/Werkstoffverbünde
Direction of
Compressive Force
- Gradientenwerkstoffe
A
A
Materialien
in
tAfter
-Before hermodynamischem
Ungleichgewicht
Before E After F
BSCF
E F
Bilder
D D ZrO2-‐TiCN
1
µm 1
NiCoCrAlY
µm ZrO2-‐CNT
Diamanten
aus
CNTs
16
Herausforderungen
und
FuE
Bedarf
§ Flexible
Werkzeugkonzepte
durch
numerische
SimulaJonen
§ Erhöhung
der
ProdukJvität,
höherer
AutomaJsierungsgrad
§ Realisierung
von
komplexen,
endkonturnahen
Bauteilen
§ Hochskalieren
der
Bauteilabmessungen
§ OpJmierte
Hybrid-‐Heizsysteme,
neue
Öfenkonzepte
§ Fügen,
Sinterschmieden
17
Guillon
et
al.
Adv.
Eng.
Mat.
2014
Vielen
Dank
für
Ihre
Aufmerksamkeit
GHI
18
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