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Die vorliegende Diplomarbeit behandelt das Thema „Additive Fertigung“, welches immer mehr an Bedeutung gewinnt. Diese Arbeit soll dem Leser einen Überblick über die verschiedenen additiven Fertigungsverfahren geben und ihm gleichzeitig die Kosten- und Leistungsrechnung näherbringen. Es werden außerdem Grundlagen in Prozessmanagement und Fabriksplanung vermittelt, denn diese sind für die Definition des Modellbetriebs, welcher innerhalb dieser Arbeit modelliert wird, notwendig. Abschließend werden die Herstellkosten bestimmt des Betriebs und mittels einem Produktbeispiel erklärt.
Die additive Verarbeitung der Titanlegierung Ti-6Al-4V mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (LPBF) ist gut erprobt und in der Luftfahrt bereits im Serieneinsatz. Dabei gibt es erhebliche Einschränkungen hinsichtlich
Bauteilgestaltung und erzielbarer Maßhaltigkeit. Die Ursache dafür findet sich im thermischen Eigenspannungsprofil des Legierungssystems, was zu einem erheblichen Bauteilverzug infolge der additiven Fertigung führen kann. Daher müssen derartige Komponenten sehr steif ausgeführt werden oder es ist ein hoher Einsatz von zusätzlichem Stützmaterial erforderlich. Zur Lösung dieses Problems können metastabile Titanlegierungen, wie etwa Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr, herangezogen werden. Der vorliegende Beitrag umfasst die LPBF-Verarbeitung der Legierung Ti-5553 mit robusten Prozesskenngrößen, resultierender Oberflächengüte sowie die Untersuchung geeigneter Wärmebehandlungen mit zugeordneten mechanischen Eigenschaften
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, Prototypen einer Messeinrichtung, mithilfe des Fused Deposition Modeling-Verfahrens (FDM), auf eine metallische Oberfläche zu drucken. Dabei soll zwischen der gedruckten Messeinrichtung und der jeweiligen Kontaktfläche eine dauerhafte Verbindung entstehen. Daraus ergibt sich die Zielsetzung, die metallischen Werkstoffe, mit bekannten Verfahren aus der Oberflächentechnik, so zu modifizieren, dass diese eine starke Verbindung zu dem aufgedruckten Kunststoff eingeht. Durch das Vorbehandeln bzw. durch die Veränderung der Eigenschaften der metallischen Oberfläche, soll das Aufkleben von Sensoren auf diese Kontaktfläche als zusätzlicher Fertigungsschritt eingespart werden. Weiterhin muss getestet werden wie die Verbindung zwischen
Metall und Kunststoff gestaltet werden kann, dass eine spätere praktische Nutzung der Messeinrichtung möglich ist. Auf Basis des Hauptziels soll außerdem eine für die AF geeignete Konstruktion der Sensoren entwickelt und getestet werden. Dabei sollen die Druckbarkeit und die Funktionsfähigkeit des ausgewählten Sensorlayouts überprüft werden. Anschließend soll ein Vergleich zwischen dem theoretischen elektrischen Widerstand und dem tatsächlichen elektrischen Widerstand der gedruckten Leiterbahnen gezogen werden. Aus den genannten Zielen ergeben sich folgende Themenschwerpunkte für die Arbeit:
Im zweiten Kapitel erfolgt die Grundlagenarbeit wo die wichtigsten Begriffe und Prozesse näher erklärt werden. Darunter zählen die Themengebiete der AF, Sensorik und Oberflächenbehandlung. Im Kapitel drei erfolgen die grundlegenden Haftungsuntersuchungen von ausgewählten FDM-Kunstoffen auf entsprechend bearbeiteten Metallplatten. Die Untersuchungen bestehen aus Probedrucken von Kunststoffstempeln auf den unterschiedlich behandelten Platten und einer objektiven Einschätzung ihrer Druckqualität. Außerdem wird, mit dem sogenannten Stirnabzugverfahren, die Verbundhaftung genauer überprüft. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen sollen im vierten Kapitel Prototypen von Messeinrichtungen, mit Hilfe des FDM-Verfahrens, gefertigt werden. Zudem befasst sich das Kapitel mit der Funktionsprüfung dieser Messeinrichtungen. Abschließend erfolgt im Kapitel 5 ein zusammenfassendes Fazit und eine Limitation der Arbeit.
Das am LHM etablierte Verfahren des Mikro-SLM ist eine Weiterentwicklung des bereits seit mehreren Jahren in der Industrie etablierten „makroskopischen“ Selektiven Laserschmelzen (SLM). Unter Verwendung von idealen Parametern wurden unter Zuhilfenahme der VDI3405 Bauteile, Teststrukturen unterschiedlicher Art und Struktur und ein Demonstrator aus den Edelstahlpulvern 316L und 17-4PH angefertigt. Die Besonderheiten des Verfahrens sind der geringe Fokusdurchmesser von <30 μm und die geringen Pulverkorngrößen von <10 μm. Dadurch können Bauteile mit extrem kleinen Strukturauflösungen realisiert werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von gedruckten Strukturen. Hierbei wird ein kurzfaserverstärkter thermoplastischer Kunststoff genauer betrachtet. Infolge der ermittelten Materialeigenschaften wird ein Materialmodell, unter Nutzung des ANSYS Material Designers, erstellt. Dieses Modell soll die Materialeigenschaften der gedruckten Strukturen abbilden. Mit Hilfe des erstellten Materialmodells soll das Verformungsverhalten von Demonstratorbauteilen untersucht werden. Des Weiteren findet eine kurze Betrachtung einer möglichen Verstärkung der Demonstatorbauteile durch Endlosfasern statt.
Das Selektive Laserschmelzen ist einer der vielen pulverbettbasierten Fertigungsverfahren, die in vielen Industriebereichen ihren Einsatz findet. Vorallem in der Luftfahrtbranche werden vermehrt Bauteile aus Titanlegierungen
mit diesem Verfahren hergestellt. Hohe Sicherheitsanforderungen zwingen daher, die Pulverqualität stets zu gewährleisten, weswegen die Auswirkungen bei Verunreinigungen in diesem Beitrag Untersuchungsgegenstand waren
In diesem Beitrag wird die Herstellung von Hybridbauteilen vorgestellt, welche aus konventionellem Al-Guss und additiv gefertigten Halbzeugen bestehen und mit Hilfe des Laserstrahlschweißens gefügt werden. Der Schwerpunkt
der Untersuchungen lag auf der Bestimmung der Schweißeignung der L-PBF Komponenten (laser powder bed fusion), da hierbei auf die mechanische Vorbereitung der Halbzeuge (Drehen/Fräsen) vor dem Schweißen verzichtet wurde. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der Prozessparameter auf das Gefüge und die Porenbildung beim Laserstrahlschweißen von AlSi10Mg untersucht, um das Prozessfeld einzugrenzen.
Nach Angaben der Vereinten Nationen haben mehr als 2 Milliarden Menschen keinen direkten Zugang zu sicherem Trinkwasser [1]. Da konventionelle Kläranlagen und bestehende dezentrale Systeme derzeit nicht in der Lage sind, die zunehmende Menge an Spurenstoffen anthropogenen Ursprungs wie Arzneimittelrückstände sicher und zuverlässig zu entfernen oder zurückzuhalten, droht die Anzahl weiter zu steigen. Photokatalytisch aktive Keramikfilter könnten diese Lücke schließen und damit die Wasserqualität verbessern. Das selektive Lasersintern bietet hierbei die Möglichkeit, Filterelemente aus photokatalytisch aktiver Vollkeramik herzustellen, die eine lange Lebensdauer und eine große aktive Oberfläche gewährleisten. Da die photokatalytisch aktive Phase der Keramik bei zu hohen Temperaturen schnell zerstört wird, werden die Keramikpartikel in eine Duroplast-Matrix eingehüllt, die mit niedrigen Laserleistungen aufgeschmolzen werden kann. Die damit hergestellten Grünkörper können nachträglich bei definierten Temperaturen ausgehärtet, entbindert und gesintert werden und sollen damit ihre photokatalytische Aktivität behalten
Durch den Einsatz eines Lasers mit einer grünen Wellenlänge von 515 nm, können stark reflektierende Materialien verarbeitet werden. Dies ermöglicht auch die additive Fertigung von Kupfer und Kupferlegierungen, die mit Infrarotwellenlänge nur schwer zu verarbeiten sind. In diesem Vortrag wird der Fortschritt bei der Herstellung von Kupfer und Kupferlegierungen mit dem grünen Laser, der durch die Erforschung von Prozessparametern erzielt wurde, präsentiert, es wird auf die einzigartigen Herausforderungen der Laserbearbeitung von hochreflektierenden, hochleitfähigen Materialien eingegangen und es wird ein direkter Vergleich zur Bearbeitung mit infrarotem Laser vorgenommen. Dabei werden Eigenschaften wie das Gefüge, die Dichte sowie die Härte untersucht. Dabei werden die folgenden beiden Verfahren betrachtet: das pulverbettbasiertes Laserschmelzen und das Laserauftragschweißen. Zum Schluss wird eine Übersicht mit möglichen Applikationen und Anwendungen, die für diese Verfahren geeignet sind, dargestellt.
Aktuell wird eine große Anzahl additiver Verfahren zum Druck von Leiterbahnen entwickelt. Dazu zählt auch der am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) entwickelte Rotationsdruckkopf für die Drahtablage. Mit diesem können reguläre Drähte auf im definierten Bahnen abgelegt werden. Aus vergleichbaren Verfahren [Saar2019] sowie den Erfahrungen am Institut sind Positionsabweichungen des Drahts in Bögen bekannt. Diese Arbeit stellt eine Strategie zur Korrektur dieser Abweichungen vor. Dazu wird der Einfluss des Drahts auf das Abkühlverhalten der Druckspur analysiert. Darauffolgend findet eine Optimierung der Druckparameter hinsichtlich Druckgeschwindigkeit, Drahtposition und Einbettung des Drahts statt. Die ermittelten Optima werden mit der Drahtablage ohne Korrektur verglichen. Die gesammelten Erkenntnisse werden zum Druck funktionsintegrativer Bauteile angewandt. Zur Analyse der Abkühlgeschwindigkeit wurden Temperatur-Zeit-Diagramm des Abkühlvorgangs einer Druckspur unter variierenden Druckparametern erstellt. Die Positionsbestimmung der 130 ausgewerteten Testkörper des Drahts fand durch eine CTDurchleuchtung statt. Über eine Bildauswertung wurden 99 Messpunkte entlang der Drahtbahn jeder Probe abgetastet. Es wurde beobachtet, dass die Drähte Wärmeenergie von der Düse in die Druckspur transportieren. Je größer der verlegte Draht, desto stärker war dieser Wärmetransport und desto langsamer die Abkühlung. Für die genutzten 0,2 mm Drähte konnte eine deutliche Verbesserung der Druckergebnisse durch die Korrektur festgestellt werden. Die 0,4 mm Drähte hingegen erzielten ohne Korrektur bessere Druckergebnisse. In der Anwendung der Drahtablage konnten mit der Korrektur Flexible Leitungsträger genauer gefertigt werden. In der Funktionsintegration eines Heizdrahts in einen Linsenhalter eins Teleskops konnte eine Verringerung der nötigen Leistung von 73% nachgewiesen werden. Durch diese Arbeit wurde die Prozesssicherheit und Effizienz der Drahtablage durch den Rotationsdruckkopf erhöht.
Das Mikro-SLM ermöglicht die Herstellung von Präzisionsbauteilen mit sehr geringen Abmessungen. Eine wesentliche Rolle für den Prozess spielt die in das pulverförmige Ausgangsmaterial eingebrachte Energie. Durch die Nutzung verschiedener Bestrahlungsregime mit kontinuierlicher und gepulster Bestrahlung kann der Energieeintrag variiert werden. In vergleichenden Untersuchungen konnten mit beiden Betriebsarten hohe Bauteildichten sowie hohe Strukturauflösungen generiert werden. Für beide Bestrahlungsregime wurden limitierende Faktoren für den Aufbau von Volumenkörpern festgestellt, welche nutzbare Prozessparameter einschränken. Unter Verwendung von kontinuierlicher Bestrahlung konnten höhere Aufbauraten erreicht werden.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Universalbefestigung für das Produkt audioCam® der IMM Gruppe. Für die Herstellung eines wurde eine additv generative Fertigung gewählt. Dazu wurde eine Auswahl der gebräuchlichsten Verfahren betrachtet und eine Auswahl getroffen. Es wird das Vorgehen bei der Entwicklung der Befestigung erläutert.
Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Konstruktiven Gestaltung eines additiv gefertigten Bauteiles. Zu Beginn wird untersucht, welche Prozessparameter bei der Fertigung die höchste Dichte aufweisen. Für die Analyse des Bauteiles wurde eine FEM Simulation durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sind in die Konstruktive Optimierung mit eingegangen. Die gewonnenen Parameter aus der Dichtemessung sind in die Fertigung eingegangen.
Bei der vorliegenden Arbeit wird anhand von Literatur eine Einordnung des Mikro-SLM Verfahrens in die momentane Industrielandschaft vorgenommen. Es werden auf Basis grundlegender Untersuchungen zum Linienabstand, zur Rauheit und zur Strukturerzeugung nach VDI 3405 mit Hilfe von Simulation die Herstellbarkeit von Strukturteilen untersucht. Die gewonnen Kenntnisse werden auf die Untersuchungen zur Herstellung von Uhrwerksteilen angewandt. Abschließend erfolgt die Analyse der Ergebnisse und die Darstellung von Strategien zur Optimierung des Verfahrens und ein Ausblick auf die
Anwendbarkeit in der Industrie.
Der Einsatz von Polygonspiegelscannern zur ultraschnellen Strahlablenkung im Mikro-SLM besitzt das Potential, die Effizienz dieses Fertigungsverfahrens um ein Vielfaches zu steigern. Durch die hohen Scangeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s kann die Bestrahlungszeit deutlich reduziert werden, ohne dabei die hohe Auflösung des Verfahrens zu beeinträchtigen. In ersten Untersuchungen zeigte sich, dass aufgrund der kurzen Wechselwirkungszeiten im Bereich einiger 100 ns und der Verwendung von hohen mittleren Laserleistungen die Verdampfung von Pulvermaterial den für die Schichtbildung maßgeblichen Prozess darstellt. Die so entstehenden Schmelzspuren weisen eine inhomogene Oberflächenstruktur sowie eine hohe Porosität auf. Durch die Anpassung der Prozessparameter konnten dennoch Strukturbreiten kleiner 100 μm und relative Dichten größer 94 % erzeugt werden.
Additive Fertigung, auch generische Fertigung oder 3D-Druck, ist eine der Schlüsseltechnologien der nächsten Jahre bzw. Jahrzehnte. Sie findet dort Anwendung, wo konventionelle Fertigungstechnologien an ihre Grenzen stoßen, wo nur kleine Stückzahlen oder kostenintensive Materialien benötigt werden. Diesem Thema widmet sich auch die Hochschule Mittweida seit vielen Jahren in Lehre und Forschung. Einen kurzen Überblick über die erzielten Forschungsergebnisse in den Bereichen Lasermikrosintern, Selective Laser (Micro) Melting, (Hochrate) Micro Cladding, Laserauftragschweißen, FDM-Druck (leitfähiger) Strukturen auf Textilien und Entwicklung eines Hochgeschwindigkeits-Rotationsdruckverfahrens soll dieser Beitrag geben.