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1inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 1www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
SLS-Qualitätsmanagement
Schlüssel zum Erfolg fürAdditive Manufacturing (AM)
Dr. Manfred Schmid
Inspire AG, Institut für Rapid ProductDevelopment (irpd), St. Gallen, Schweiz
2inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 2www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Agenda
One of the biggest hurdles faced by Additiv Manufacturing is part quality
Terry Wohlers, Wohlers Report 2007
� Einleitung, Institut irpd � Qualität(Q): Management und Kosten� SLS-Prozess und Q-Aspekte� Q-Massnahmen bei irpd� Zusammenfassung
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3inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 3www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Einleitung: Inspire AG
4inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 4www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Selective Laser Sintering (SLS)LaserCUSING® (SLM)
3D-Printing (3DP)
KernkompetenzenRapid Prototyping (RP)
Additiv Manufacturing (RM)
ConformalCooling
Reverse Engineering
MedicalManufacturing
Process and Material development
� Forschung, Produktion, WTT
Einleitung: Institut irpd
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5inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 5www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
CEO
Production & SalesResearch & Development
feedback vom Markt
Einleitung: Institut irpd
Forschungsinstitut mit Produktion!Teileproduktion
60-70% des Budgets
Fit for Industry
6inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 6www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Agenda
� Einleitung, Institut irpd
� Qualität(Q): Management und Kosten
� SLS-Prozess und Q-Aspekte
� Q-Massnahmen bei irpd
� Zusammenfassung
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7inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 7www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Qualität und Qualitätsmanagement
Qualität ist die Erfüllung von Anforderungen/Erwart ungen!
� Anforderungen müssen bekannt sein um Qualität zu liefern
� Qualität kann stark mit den Erwartungen variieren
� Qualität bei Additiv Manufacturing variiert mit den Teilen
� Quantitative Messgrössen um AM-Qualität zu messen?
� Qualität über längere Zeiträume sicherstellen
Qualitätsmanagement bezeichnet die Summe der Q-Massnahmen welche zur Erzielung von Qualität erforderlich sind.
8inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 8www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Quelle: Roadmap ALM 2009 D. Bourell et al.
Qua
lität
und
S
tand
ards
AM Roadmap (2009) - tree of applications
Unterschiedliche Teile haben
unterschiedliche Q-Anforderungen
Dekorativ
Oberfläche
Funktional
Genauigkeit
Struktur
Eigenschaften
Medizin
Biocompatibilität
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9inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 9www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Q-Kosten
Qualität im Spannungsfeld von Zeit und Kosten (QTK- Dreieck)
Wettbewerbsfaktoren: Qualität, Zeit und Kosten
Paradigma:• Qualitätsverbesserung führen zu
Kosten- bzw. Zeiterhöhungen• Kosten- bzw. Zeiteinsparungen gehen zu
Lasten der Qualität
Forderung für AM:• Qualitätsverbesserungen dürfen nicht zu
Kostenerhöhungen führen• Kosteneinsparungen dürfen nicht zu Lasten
von Qualität gehen Quelle: Internet Akademie
10inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 10www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Q-Kosten
Quelle: Prof. Dr.-Ing. Gerd F. Kamiske
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11inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 11www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Overhead and Quality Cost > 50%Material
Labor
Qualität
Overhead
Estimated Cost Model of LS Manufacturing(servicing High-Tech OEMs)
Raw MaterialLaborQualityOverhead
Quelle: ODM Proprietary
Q-Kosten
12inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 12www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Agenda
� Einleitung, Institut irpd
� Qualität(Q): Management und Kosten
� SLS-Prozess und Q-Aspekte
� Q-Massnahmen bei irpd
� Zusammenfassung
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13inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 13www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Ein Q-Konzept für Additive Manufacturingmuss sich an der SLS-Prozesskette und den Haupteinflussparametern orientieren:
- Equipment- Material- Produktions-, und Batchparameter- AM-Teil und Finish- Datenqualität
Besonders der Punkt ‘Material’ ist für SLS von besonderer Bedeutung! � Es werden Mischungenaus Neu- und Gebrauchtpulver eingesetzt;
SLS Prozess und Q-Konzept
14inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 14www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
SLS Prozess und Q-Konzept
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15inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 15www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
System fitness:• Logbuch• Kontrolle & Kalibration des Equipment
Kontroll Aktivitäten and präventive Instandhaltung:• periodical cleaning activities, upgrade of software• periodical check of laser and optical system• periodical check of temperature control• periodical check of inert gas supply• periodical replacement of wear parts (filter, scraper,…)
Periodische Produktion von speziellen Benchmark is nec essary:• Gewicht (Dichte), Scalierung check, Toleranzen, beam offset• Oberfläche (unterschiedliche Orientierungen)• Härte (e.g. Vicat),
ProducerSystemfitness
preventive maintanance
Calibration
control
EquipmentEquipment
SLS Prozess und Q-Konzept
16inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 16www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
SLS-Material
Frisches SLS Pulver wird mit Baurest /Overflow aufbereitet;
Unterschiedliche levels of Q-control!
Die Qualität des Neupulvers sicherstellen durch Her stellerangaben: • Produktion Identifikation (e.g. Charge)• Pulververteilung (e.g. d10 / d50 / d90)• Thermische Eigenschaften (Schmelzpunkt und –Enthalpie Tm, ∆Hm)• Pulver Fliessfähigkeit (Hausner Verhältnis)• Schmelzerheologie (MFI)
SLS Prozess und Q-Konzept
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17inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 17www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Pulverflussdiagramm SLS-Pulver
SLS-Bau
Overflow Baurest Neumaterial
Zwischenlager
Mischen Nahmaterialverwerfen?
Zwischenlagergrob sieben
grob auspacken / sieben
(automatisch)
Mischer
SLS-Bau
Verhältnis?
MFI Kontrolle
MFI
MFI
MFI
SLS Prozess und Q-Konzept
18inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 18www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Teile Produktion
Der Produktionsprozess ist zu kontrollieren und dokumentieren:
• part orientation• build parameter: laser power, scan spacing, temperature profile, uvm.
(z.B. PPM-System,
Referenz Proben in jedem Batch?
- XY-orientation: ISO test bars• tensile test• weight (density)• surface roughness• Scale
- XZ-orientation: ISO test bars(periodical for archive reasons)
SLS Prozess und Q-Konzept
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19inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 19www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
Qualitätscheck für jedes Einzelteil:- Optische kontrolle & Dimensions check- Oberfläche (roughness)- Gewicht (Dichte)
Auftrag:• Quantität• on time delivery? • special requirements• pre-assambly
Finishing:• infiltration (which infiltrate)• surface optimization (vibratory grinding)
• coating (e.g. colour)
Teilequalität und Finishing
SLS Prozess und Q-Konzept
20inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 20www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
irpd: der 5-Phasen Q-Ansatz
Level Frequency Retrace
Daily
as need
Daily
4. Build Daily Build Protocol
3. Batch2-3 times per
weekMaterial protocol
MonthlyPerformance
Protocol
Periodically System Logbook
1. Job Daily Project file data A) Understand final part requirements feasibility c heck.
Part Inspection Protocol
2. System
B1) Performance
B) System Fitness
5. Parts
Subject A - G
C) Material
E) Intermediate Part blasting Inspection (go no-go)
D) Build Setup & Process Control
G) Final Inspection Protocols delivery
F) Post Processing
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21inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 21www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
1. JobW
1W
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W 4
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W 5
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W 5
3
Pro
ject
fil
e
1. J
ob
A) Understand final part requirements and feasibili ty check.
Check specifications, suitability, optimal design, data quality, STL errorless long term use, application loads environment risks
22inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 22www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
2. System
W 1
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W 5
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W 7
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W 9
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W 5
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Per
form
ance
P
roto
col
Sys
tem
Lo
gboo
k
2. S
yste
m
Per
form
ance
B1) Performance
B) System Fitness
Benchmark Validation: Periodic fitness-check Size, Quality, Surface finish, Scaling values Calibration, Drifts? Calibration of the system, wear parts? Laser power drop, Parameter adjustments necessary?
2. S
yste
m
Fitn
ess
Semester preventive maintenance, checks, wear parts, readjustments, SW versions Upgrades
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23inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 23www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
2. System Fitness - PM
Preventive Maintenance �Weakly cleaning inspect�6 month service and calibration�Replace wear parts ( e.g. laser
window, scraper, filters)�Upgrades ( ATC temperature
control) �Upgrade SW�Maintain controls�Keep the logbook updated
clean !!!
24inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 24www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
2. System Performance (drifts: power, strength density scale…) Monthly BM
� 24 measurements: scale beam offset, weight , Ra Rz in XY an YZ plane
� Laser power calibration� Local: 5 tensile Z bars
(mechanical properties)� Space: total: [6x5x5] + [4x5] = 170
tensile bars bones to measure! (Just for sever problems or once a year)
� Replace typically sacrificial parts
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25inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 25www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
2. System Performance monthly BM
26inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 26www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
2. System Performance ZX Direction Sinterstation
middle RM N/mm2 %ZX1 -1 48.64 8.85ZX1 -2 47.07 8.05ZX1 -3 46.26 8.60ZX1 -4 47.52 8.05ZX1 -5 47.90 9.48
Avarege 47.48 8.61
back left RM N/mm2 %ZX2 -1 43.01 7.07ZX2 -2 42.62 5.67ZX2 -3 45.74 7.69ZX2 -4 46.23 7.39ZX2 -5 47.10 8.74
Avarege 44.94 7.31
top left RM N/mm2 %ZX3 -1 47.64 8.85ZX3 -2 46.97 8.22ZX3 -3 46.26 8.23ZX3 -4 47.33 8.05ZX3 -5 48.20 9.48
Avarege 47.28 8.57
back right RM N/mm2 %ZX4 -1 40.08 5.68ZX4 -2 41.00 5.85ZX4 -3 43.93 2.53ZX4 -4 43.54 6.86ZX4 -5 44.40 7.24
Avarege 42.59 5.63
top right RM N/mm2 %ZX5 -1 46.15 7.27ZX5 -2 45.13 7.33ZX5 -3 37.83 3.01ZX5 -4 42.02 6.03ZX5 -5 45.20 7.38
Avarege 43.27 6.20middle top RM N/mm2 %
ZX6 -1 42.93 5.61ZX6 -2 41.39 5.05ZX6 -3 45.96 7.87ZX6 -4 39.84 4.77ZX6 -5 41.88 5.69
Avarege 42.40 5.80
middle back RM N/mm2 %ZX7 -1 40.67 5.43ZX7 -2 34.08 3.84ZX7 -3 33.06 3.69ZX7 -4 37.61 4.70ZX7 -5 35.97 2.83
Avarege 36.28 4.10
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27inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 27www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
3. BatchW
1W
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W 5
3
Mat
eria
l pr
otoc
ol
3. B
atch
C) Material
Virgin delivered material specification and expire check Material recycling Quality: Sieving (??? µm), MFI controlled for each run, Flowability, Humidity if required (never
use pure virgin) Loading levelling, prevent short feeds
X
28inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 28www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
3. Batch: MFI control (temperature load nozzle)
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
30.0
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30.1
0.2004
30.0
1.2005
30.0
4.2005
30.0
7.2005
30.1
0.2005
30.0
1.2006
30.0
4.2006
190 C 235 C Linear (235 C) Linear (190 C)
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29inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 29www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
3. Batch: MFI control
-10.0
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65
Build (run)
MF
IQA
MFI
Linear (MFI)
Virgin
Recycled
Inferior quality
30inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 30www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
3. Batch Sieving
Fine powders tend to agglomerate� Big particles separate� Recycled powders may have changed notably the particle size
distribution� The mixing sieving may has corrective influence �What is the staring point of the virgin and actual corrected batch used
powder?
16
31inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 31www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
4. Build process control , need for sacrificial par ts?
Part Integrity:� Mechanical properties: � density measurements by weight by Archimedes, by ultrasound, by X-Ray � Destructive or non destructive?
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D) Build Setup & Process Control
Bui
ld P
roto
col
4. B
uild
Correct data, Quantity, Best praxis orientation, Standardized parameters and scale factors
Sacrificial parts (tensile bars?) Build reporting
32inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 32www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
5. Parts
W 1
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W 5
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5. P
arts
Complete, details resolution, dimensions, surface finish, quantity, labelling Mechanical properties (how?); Density (how?;
Sacrificial parts (tensile bars?)
Par
t Ins
pect
ion
Pro
toco
l
Machining, polishing, varnishing, coating, etc.
G) Final Inspection Protocols delivery
F) Post Processing
E) Intermediate Part blasting Inspection (go no-go)
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33inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 33www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
5. Parts intermediate sand blasting go/no-go
Ra / Rz v/s Sandblasting Exposure
0
1020
30
40
5060
70
0 10 20 30
Sandblasting Time (s)
Ra
/ R
z ( µµ µµ
m)
Ra
Rz
34inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 34www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
5. Parts final dimensional inspections
Measurements conventionally or with RE methods, especially for freeform parts with larger allowance s.
18
35inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 35www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
5. Parts Dimensional check respecting ISO IT tolera nces
Under 120 mm
-0.500
-0.400
-0.300
-0.200
-0.100
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
105
110
115
120
Nominal [mm]
Dev
iatio
n [m
m]
IT14 (-) IT14 (+) IT13 (-) IT13 (+) IT12 (-) IT12 (+) Deviation
Duraform 200 measurementsAverage deviation= - 0.01 mm Standard deviation σσσσ = 0.49 mm
36inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 36www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG
QM & Normen