Festo Fast Factory (FFF) - IPEK

Rapid Prototyping und Direct Manufacturing:2 Facetten der Generativen Technologien aus IndustriesichtKlaus Müller-LohmeierFesto AG&Co. KGEsslingen, DeutschlandSymposium „Virtuelle Produktentwicklung“, Rapperswil (CH), 19. April 2012SI-T/Müller-Lohmeier1

VorbemerkungSI-T/Müller-Lohmeier2

Think global, act local„ Automation and Didactic„ Factory and Process Automation„ 300,000 customers„ 30,000 catalogue products„ Turnover (Group): EUR 2,1 billion (2011)„ 15,500 employees in 176 countries„ 2,900 patents world-wide„ R&D budget 8,5 % of salesPeople: our no. 1 success factorSI-T/Müller-Lohmeier3

Begreifen – durch begreifen !Oft muss man Dinge einfachmal anfassen, fühlen, anschauen,sich veranschaulichen …bevor man weitere Schritte unternimmt(Bild-Quelle: Sonntag Aktuell, 31.01.2010)SI-T/Müller-Lohmeier4

Hier kommt das „Additive Manufacturing“ ins Spiel !Behauptung: Sie alle hier haben eigene praktische Erfahrungen mit dieser Technologie ! ?Top, die Wette gilt !Wer von Ihnen hat noch nicht mit Lego gebaut ?SI-T/Müller-Lohmeier5

What is Additive Manufacturing ?How generative or layerwise technologies work3D-CADmodel asnecessaryoriginPostprocessingwith(virtual) slicingLayerwise materialdeposition followingthe specific sliceinformationLS(1‘)(Bild- + Video-Quellen: Lego; EOSMatthes: Grundlagen der Fertigungstechnik)The technological pathSI-T/Müller-Lohmeier6

The right way: Additive Manufacturing„ Definition according ASTM F2792-10 (F42), 2009:"process of joining materials to make objects from 3D model data,usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies”• Synonyms:rapid prototyping, rapid manufacturing,additive fabrication, additive processes, additive techniques,additive layer manufacturing, layer manufacturing, freeform fabrication• similiar definition: VDI 3404:2009-12SI-T/Müller-Lohmeier

Nomenclature of generative techniques„ Rapid Prototyping (RP):toolless fabrication of (single) prototype parts in layersdirect from CAD dataVDI: Rapid Prototyping (RP)Generative Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität (Prototypen, Versuchsteile).Eigenschaften: ausgewählte Merkmale, z.B. Geometrie, Haptik. Material kann, muss aber nicht Serienmaterialsein. Konstruktion kann, muss aber nicht fertigungsgerecht im Sinne der Serienfertigung sein.„ Rapid Manufacturing (RM) / Direct Manufacturing (DM) :toolless manufacturing of (small-lot) series of end-use partsin layers direct from CAD dataVDI: Rapid Manufacturing (RM)Generative Herstellung von Endprodukten (häufig auch als Serienteile bezeichnet).Eigenschaften: Weist alle Merkmale des Endprodukts auf oder wird vom Kundenfür den „Serieneinsatz“ akzeptiert. Material ist identisch mit dem des Endprodukts.„ Rapid Tooling (RT) / Direct Tooling:layer-wise, non-cutting (non-eroding) fabrication ofinjection molding or diecasting toolsSI-T/Müller-Lohmeier

Additive Manufacturing is part of the digital solution process !shipment(first) design / CADassemblyreverseengineeringfinal AM partsFEM simulation / virtual realityfinishing of AM partsCAD model -> slice modelvirtual part placement inbuild envelope of AM machinelayerwise part build-upin AM machineSI-T/Müller-Lohmeier9

HistorischesVom „Spielzeug computerverliebter Ingenieure“…1987In USA auf der "Autofact"-Messe erstmals Vorstellung einerStereolithografie-Maschine durch die Fa. 3D-Systems(Hull, Patent US4575330, 1986)… zum „Standard“-Werkzeug moderner ProduktentwicklungMitte 2011Kumuliert wurden weltweit ca. 40.000 generative RP-Anlagen installiert(Quellen: Wohlers Report, 3D-Schilling, Objet)SI-T/Müller-Lohmeier

Generative (or additive) techniques at Festo: history and status„ practical own experience in RP techniques since 1995 (8 years after birth of the new technology)„ using nearly all generative techniques available„ network of in-house facilities (4x FDM, 3x SLS, 1x SLA, 2x SLM) -> Festo Fast Factory„ in 2011 some 18.000 parts are realized within more than 1.100 orders„ contact to well-known research instituts„ involved in a couple of research projects„ active member in several AM associationsSI-T/Müller-Lohmeier

Festo Fast FactoryDefinitionDie Festo Fast Factory (FFF) bildet die technologische Basis für dieUmsetzung von virtuellen Lösungen in physisch-reale Körper.Sowohl für Kunden als auch für Festo ergeben sich mit dieser effizientenPrototypen-Herstellung in der individuellen Produktentwicklung enormeEinsparungspotenziale, die das Time-to-market deutlich reduziert.‣ In beiden Fällen geht es um die schnelle und werkzeuglose physische Realisierung von Ideen/Lösungsansätzen/-alternativen als Basis für weitere Schritte / Entscheidungsprozesse‣ Erst-Verfügbarkeit von neu entwickelten Einzelteilen, Baugruppen oder Lösungskonzeptenin Stunden und Tagen anstatt Monaten oder QuartalenSI-T/Müller-Lohmeier

Mission 1: Support Festo customersMarket requirements Realisation of customer specific solutionswithin shortest possible timePartnership Engineering together with customers bycontinous interaction (from 3D-models oversimulation to rapid prototypes)Speed is a competitive advantage !Fast realisation of adequate customer solutionsSI-T/Müller-Lohmeier13

Mission 2: Accelerate Festo R&DDecrease time to market for catalog products Especially tool based parts show often longdelivery times Usage of alternative manufacturingtechnologies allows to cut lead times forspecific parts Fast availabilty of functional prototypesyields to earlier realiabilty in the designprocessR&D advantage through speed improvementin technical conversion of a solution !Fast supply of design and functional prototypes for R&DSI-T/Müller-Lohmeier14

Case study: Short run production of customer specific partsCustomized holding fixtures for gripper elements (FDM, ABS)Continous request from sales department / market On-demand toolless production of customer specific polymer grippers Average time for completion of small series < 1 day; average delivery time < 3 daysCustomer orientationSI-T/Müller-Lohmeier15

Case study: Customer problem solutionCustomer 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 providingalternative solutions (more than 3 months at 10 bar and 80°C)Quick customer supportSI-T/Müller-Lohmeier16

Case study: Customer specific developmentPilot 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 directionFast supply of customer specific concept modelsSI-T/Müller-Lohmeier17

Case study: Direct / Rapid ManufacturingFastener for flexible tube (Tripod project)Coil body for Didactic project typical annual demand: 300 / 800 pieces toolless production by plastic laser sintering (SLS) within < 2 weeks costs less than € 3 / pieceEconomic short run production of accessories and basic parts for new conceptsSI-T/Müller-Lohmeier18

Case study: Serial production of polymer partsSnap-fit for serial supply of a major customer (SLS, PA 12)Additive fabrication of 12.000 snap-fit (alternative technology !) Complete process chain (with 4 build chamber fillings) realized within 37 hours Plastic injection molding vs. toolless additive fabrication:time 2 months vs. 2 weeks, costs 1 : 0,66Top speed for customer satisfactionSI-T/Müller-Lohmeier19

Case study: Laser melted steel partsDrive part prototyping for R&DLeftstopRightstopStop parts for a new generation of rodless drives with steel powder based SLM Stainless steel with density of 99,5%, part size up to 45 x 25 x 20 mm³ (1,8“ x 1“ x 0,8“) Complete process chain for a set of 6 pieces : 1 week (compared to serial MIM process > 4 months) Early reliabilty in product concept: endurance test with 30 million load cycles25% reduction of development timeSI-T/Müller-Lohmeier20

Case study: New product developmentPiston for redesign of rodless pneumatic cylinder toolless production of a series of 3 units by metal laser melting (SLM) within 3 days early reliabilty in product concept through immediate testing avoiding tool costs in case of wrong development directionReduction of development time and costsSI-T/Müller-Lohmeier21

Case study: laser melted aluminium partsValve part prototyping for R&DValve housing: design study with SLS parts, functional parts with SLM in aluminium Aluminium parts (AlSi10Mg) with material density of 99,5% / part size up to 145 x 65 x 50 mm³ Complete process chain for 1 piece : 3 days (vs. 8 months by die casting) But: costs of generative Al part 270 times higher as die casted serial partHigh speed support for product developmentSI-T/Müller-Lohmeier22

Paradigm shift in design and manufacturingManufacturingdrivendesignDesign-drivenmanufacturing• Function integration• Part number and assembly effort reduction• New design solutionsAdditive manufacturing eventually means the liberation of design from manufacturingSI-T/Müller-Lohmeier23

Biomechatronic footprintÜbertrag von der Naturin die IndustrieapplikationSI-T/Müller-Lohmeier

Case study: Support of Bionic Learning NetworkFinGripper 2009/ Handling Assistant 2010/ Lightweight Roboter 2010 / Robotino XT 2011 function integration part number reduction toolless part fabrication less or without assembly no alternative technologyBHA (2‘)2010awardwinner RobotinoXT (2‘)Physical realisation of new handling conceptsSI-T/Müller-Lohmeier25

Adaptive Gripper: A universe of possibilitiesApplication:CookiesApplication:ChicoryApplication:Picking and sorting ofpepperThe new gripper picksautoadaptive and form-lockingand moves nearly every objectsafe and gentleAG (1‘)SI-T/Müller-LohmeierFin Ray Effect® is a trademark of EvoLogics, Berlin26

Case study: laser melted aluminium partHeat exchanging device for customer specific test benchDevice with internal conformal cooling channels (Al powder-based SLM process) Part size 244 x 208 x 59 mm³, net weight about 2,5 kg Non-stop additive manufacturing time : 5 days (complete process chain: 14 days) Cooling capacity about 8 KWOne of the biggest Al parts in the world done by additive manufacturingSI-T/Müller-Lohmeier27

Case study: laser melted aluminium partHeat exchanging device for customer specific test benchSI-T/Müller-Lohmeier28

Typische AM-BaujobsVirtuelle Platzierung von Bauteilenin Baukammern für denKunststoff-Lasersinterprozess-> optimale Bauraumausnutzung-> werkzeuglose Herstellunggeometrisch komplexer Bauteilein größerer StückzahlSI-T/Müller-Lohmeier29

„Fazit“Wir haben das Tor zu der„Welt von morgen“ durchschritten !Sind wir wirklich schon mit demRapid bzw. Direct Manufacturing„im Paradies von morgen“angekommen ?SI-T/Müller-LohmeierWintersemester Sommersemester 2010/2011 201130

Rapid or Direct ManufacturingProduct operating or service time / customer expectationsHuman implants 5-15 years ?Automation components6-10 yearsAutomotive10-12 yearsAviation30-40 yearsThere is a huge difference between Rapid Prototyping and Rapid / Direct Manufacturing !-> Direct Manufacturing has to face demands fromlong-term„ product liability„ end-user customer satisfaction and„ profitabilitySI-T/Müller-Lohmeier

Praxisorientierte Untersuchungen an SLS-TeilenWechselbiegungDruckproben/Berstversuche≥ 5 Millionen Biegewechsel2,5 mm Wandstärke: 80 bar BerstdruckSI-T/Müller-Lohmeier32

Grundlagenorientierte Untersuchungen an SLS-Proben und -MaterialZugprüfung undWechselbiegung anAnalyse der Korngrößen-verteilung und Form derRestmonomergehaltund DSC-Analyse… ?genormten PrüfkörpernPulverkörner… ?Basis für begleitende Qualtätssicherung beim KunststofflasersinternSI-T/Müller-Lohmeier33

Bauteilversuche mit generativ erzeugten Ventilkörpern aus AluminiumPneumatischer Langzeit-FunktionstestQuelle: Festo, BMBF-Förderprojekt AluGenerativPrüfkörper: je 2 Ventile mit SLM-Gehäusen in Bauweise H/C bzw. C/H, mechanisch endbearbeitetTestparameter: ∆p=6 bar, f=3 Hz, Raumtemperatur, Luft nicht geöltDauerlaufstart: 06.10.2008Stand 04.01.2012:240 Mio. SchaltspieleEingangsprüfung:Schaltdrücke: okLeckage: okZwischenprüfung:Schaltdrücke: okLeckage: okSI-T/Müller-Lohmeier34

Status quo: process (un)reliability !?Example 1:Internal crack formationdue to residual stresses ?Example 2:Crack formation between supportand part or build plate due tothermal stressesDifferent views of 3D X-ray inspectionSI-T/Müller-Lohmeier35

Abhilfe „SimuSint“Serien- undgenerativ erzeugteVentilbauteileThermomechanische SimulationQuelle: BMBF-Verbundprojekt SimuSint, 2010-> Simulationssystem zur Berechnung von fertigungsbedingten Temperaturen, Verformungen undEigenspannungen von generativ gefertigten Metallteilen-> Grundlage für Optimierung von Bauparametern (Bauraumorientierung, Stützenausprägung)-> Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit eines Baujobs (Beispiel „5-Tage-Bauteil“ !)-> Vermeidung von unnötiger Mehrarbeit und Zusatzkosten-> somit nicht nur gesteigerte Bauteilqualität, sondern auch erhöhte Methodensicherheit durchVorab-Simulation des thermomechanischen WechselspielsSI-T/Müller-LohmeierGlobalmodell Von Mises-Vergleichsspannung Verformungen

2004005006007008009001000110012001300140015001700190021002300250027002900350045001000010001050110011501200125013001350140014501500160017001800190020002100220023002400250026002700280029003000350040004500500010000Kosten-Aspekte bei Kunststoffteilen (PA)1.000,00 €FangdüseKosten RP pro Teil12,00 €MitnehmerKosten RP pro Teil100,00 €Kosten Spritzguss pro Teil10,00 €Kosten Spritzguss pro TeilKosten Spanend pro Teil8,00 €10,00 €6,00 €1,00 €4,00 €2,00 €0,10 €0,00 €StückzahlStückzahlRM-Benefit bei geometrisch komplexeren Teilen mittlerer Stückzahl (Funktionalität !)SI-T/Müller-LohmeierWintersemester Sommersemester 2010/2011 201137

183060902004506007509001050120013501500180021502400270030004500Kosten- und Zeit-Aspekte bei Metallteilen (Aluminium)100.000,00 €10.000,00 €1.000,00 €100,00 €10,00 €1,00 €GehäuseKosten Rp pro TeilKosten Druckguss pro TeilZeiten:Sehr lange generativeFertigungszeiten pro Teil:rund 24 h Bauzeit (Baurate !)+ 5-7 h kostenintensive Nacharbeit-> 250 Teile -> rund 1 Jahr !Zum Vergleich-> Werkzeugzeit: 8-10 Monate !-> ähnliche Kosten bei deutlichhöherer AusbringungStückzahlRM-Benefit nur bei kleinsten Stückzahlen („Einzelstückfertigung“) oder „kleinen“ TeilenSI-T/Müller-LohmeierWintersemester Sommersemester 2010/2011 201138

Zusammenfassung• Es gibt bereits viele beeindruckende Ergebnisse und Erfolgeim RP- und teilweise AM/RM-Bereich !• Im Gegensatz zum Rapid Prototyping entsprichtder aktuelle Stand des Rapid Manufacturingaber durchaus noch einer Baustelle !RM• Aber: Den Optimisten gehört die Zukunft !SI-T/Müller-Lohmeier39

Festo Fast Factory … with high expertise and motivation !From idea to solution …Herzlichen Dank fürIhr InteresseundIhre Aufmerksamkeit… always in top gear !SI-T/Müller-Lohmeier40