Bücher der Reihe Light Engineering Fur Die Praxis

Stähle hoher Festigkeit und Härte bieten Leichtbaupotential für Anwendungen im Automobilbau sowie in der Energietechnik, sie gehören jedoch zu den schwer zerspanbaren Werkstoffen. Zur Fertigung leistungsfähiger Zerspanwerkzeuge aus polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN) eröffnet Laserstrahlabtragen mit kurzen und ultrakurzen Pulsen neue Potentiale. Vor diesem Hintergrund erfolgt in der vorliegenden Arbeit die Erstellung eines methodischen Vorgehens zur Entwicklung von Laserstrahlabtragprozessen. Dieses wird am Beispiel der Prozessentwicklung zur laserbasierten Fertigung von PCBN-Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide validiert. Die Anwendung des entwickelten Prozesses führt zum exemplarischen Einsatz der Werkzeuge in der Hartzerspanung.

Aufgrund des demografischen Wandels, gesteigerten Nachhaltigkeitsanforderungen sowie der erforderlichen Steigerung der Resilienz wirtschaftlicher Prozesse, nimmt die Relevanz von digitalen Assistenzsystemen für die Arbeitswelt stetig zu. Insbesondere der immersiven Technologie Augmented Reality (dt. erweiterte Realität ¿ AR) wird eine besondere Unterstützungswirkung als Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine in der digitalen Produktion beigemessen. In dieser Arbeit wird das Potenzial von Augmented-Reality-gestützter digitaler Assistenzsysteme für den Einsatz in der industriellen additiven Produktion ganzheitlich untersucht und anhand einer Systementwicklung zur unterstützenden Begleitung manueller Tätigkeiten in der Prozesskette des Laserstrahlschmelzverfahrens demonstriert und wirtschaftlich bewertet. Angesichts der interdisziplinären und anwendungsorientierten Natur dieser Aufgabe, wurde die gestaltungsorientierte Forschung als Rahmenwerk gewählt, welche die zweckdienliche und stringente Nutzung methodischer Werkzeuge zur Erschließung menschenzentrierter Systeme als Kern hat. Das entwickelte System befähigt Nutzende ohne Vorerfahrung zur Durchführung komplexer Rüst- und Wartungsaufgaben an der Produktionsanlage und trägt hierbei zu einer signifikanten Fehlerreduktion im Vergleich zur konventionellen Wissensvermittlung bei.

Additive manufacturing is considered a key technology for digital production. However, several barriers towards the broad industrial application exist, e.g. the associated cost and the required experience regarding the manufacturing process. To eradicate these barriers, the complete digitalization of the value creation process is needed. In this thesis, a digital, automated support structuredesign procedure is developed. Topology optimization is used for design rule determination, and the space colonization algorithm is adapted for the automated design. The validity of the procedure is proven experimentally, revealing sufficient mechanical performance alongside cost reduction at medium to large production scales.

Der komplementäre Einsatz additiver Fertigungsverfahren im Metallpulverspritzguss (MIM) geht mit signifikanten Zeit- und Kosteneinsparungspotenzialen einher. Die volle Ausschöpfung dieser Potenziale ist jedoch an die Verwendung des MIM-Serienmaterials geknüpft. In dieser Arbeit erfolgt daher die Potenzialerschließung und -bewertung der additiven Kolbenextrusion als komplementäres Formgebungsverfahren in MIM-Prozessrouten. Hierzu wird ein Anlagenprototyp auf Basis einer kostengünstigen Produktarchitektur entwickelt, für eine exemplarische Ti-6Al-4V-MIM-Prozessroute validiert sowie hinsichtlich Qualität, Kosten und Zeit bewertet.

Der pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzprozess (LPBF) bietet die Möglichkeit endkonturnahe und hochkomplexe metallische Strukturen zu erzeugen. In Kombination mit flexiblen Werkstoffsystemen ist eine variantenreiche, lastpfadgerechte und stückzahlunabhängige Bauteilfertigung realisierbar, was insbesondere für die Automobilindustrie mit einer Vielzahl von Fahrzeugderivaten und konsequenten Leichtbaukonzepten von besonderem Interesse ist. Gegenwärtig ist eine weitreichende Verbreitung im Karosseriebau noch nicht gegeben. Neben vielfach eingeschränktem Verformungsvermögen der Materialien sind fehlende Kenntnisse zum Einsatzverhalten, insbesondere hinsichtlich Crash und Korrosion, eine innovationslimitierende Eintrittsbarriere im Rahmen der umfangreichen Freigabeprozesse der Automobilhersteller. Diese Arbeit stellt eine systematische Wissensgrundlage zur Einsatzfähigkeit bestehender und neuartiger Aluminiumlegierungen für automobile Serienanwendungen dar. Ferner werden methodische Ansätze und Handlungsempfehlungen zur erweiterten Serienintegration der Technologie gegeben.

In this dissertation a new process chain for the Additive Manufacturing of Mechatronic Integrated Devices (AMMID) is described, which provides a new way to manufacture 3-dimensional electronic devices based on the selective laser sintering (SLS) process using laser direct structuring (LDS) and metallization. The AMMID process chain meets the rising demand for highly functionalized parts, increasing individualization and shortening development cycles for electronic products.The development for this process chain is based on an extensive literature review that indicates that an SLS-based process chain has great potential to produce 3-dimensional electronic devices with properties and with the future perspective of being suitable for an individualized mass production. The biggest, initial, technical hurdle is an unstable SLS process using a conventional LDS additive. The compound of SLS material and LDS additive was analyzed with DSC, which shows that the additive changes the melting behavior of the polymer by reducing the sintering window. A fine metal powder as an alternative additive affects the sintering window less and enables a stable process. To choose a suitable particle size and content for the metal powder an analytical material model is provided, that predicts the additive particle distribution within the material. This material model deepens the understanding of the activation mechanism during laser activation, provides hands-on information for powder preparation and it is applied for the design of the experiment for the development of the process chain with the new material.Preliminary experiments are conducted along with the insights of the material model, which prove that redeposition is the main activation mechanism during laser activation with fine metal powders. Based on this, the process chain is developed, starting with a determination of a suitable additive content. A suitable material composition of a PA12 powder containing 2 wt.% of a copper powder with a mean particle diameter of 3.5 ?m was identified. With regard to the laser activation, working laser parameters are developed (working parameter set feasible for all used post-process treatments: PRF = 1 kHz, dh = 25 ?m, vs = 25 mm/s, tl = 20ns and P = 1.07 W). In this parameter development it is shown, that only closely located laser spots, enabling interaction of the laser pulses, are capable of activating the surface, while single laser pulses under applied conditions are not. By adding a post-process treatment as additional process step into the process chain, the quality of metallization and the size of design features could be improved. Chemical smoothing resulted in a complete reduction of unwanted metallization on non-activated surfaces. Conductor tracks with the minimal width of 300 ?m could be realized. The process chain could be applied to demonstrator parts such as a drone housing and a PSU panel of an aircraft. Thus, this dissertation has raised the technology readiness level (TRL) from TRL2 to TRL6.Finally, an economic consideration provides insights on the cost structure of parts produced with the AMMID process. A comparison of AMMID and injection molding shows economic viability for small lot sizes, 400 parts in case of the drone housing and 150 parts in case of the PSU panel. Finally, the analysis of the cost structure gives advice which future developments in the process chain have the greatest effect on costs and provides prioritization.

Dieses Buch behandelt die additive Produktion mit dem Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA), welche eine wirtschaftliche und insbesondere ressourcenschonende Alternative zu konventionellen Produktionstechnologien für die Luftfahrt darstellt. Die vorliegende Arbeit zeigt für dieses Verfahren eine neuartige Prozessstrategie auf, um komplexe Bauteilgeometrien mit definierter Maßhaltigkeit und den luftfahrtspezifischen Anforderungen entsprechend herzustellen. Hierfür wird eine erfahrungswissensunabhängige Prozessparameteridentifikation entwickelt, die mittels eines genetischen Algorithmus eine geeignete Prozessstrategie innerhalb der konkurrierenden Zielsetzungen identifiziert. Abschließend wird das konsolidierte Prozessmanagement in der industriellen Prozesskette an einem Luftfahrtbauteil demonstriert und die Ressourceneffizienz sowie das Kostenpotenzial der LPA-Prozesskette werden bewertet.

Selective Laser Melting (SLM), also referred to as Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), offers significant advantages for the manufacturing of complex, high-quality parts. Comprehensive research has been done to overcome these challenges, but little attention has been paid to addressing them by optimizing the laser beam profile.

Additive Fertigungsverfahren befinden sich an der Schwelle zur Industrialisierung. Daraus ergibt sich ein Praxisbedarf nach effizienten und effektiven Prozessketten für die Fertigung von Bauteilen in Endqualität. Diese Dissertation beantwortet diesen Bedarf mit einer praxisorientierten Methode zur Gestaltung effizienter Fabrikstrukturen für die additive Fertigung und bewertet verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität der Prozesskette unter Kosten- und Durchlaufzeitaspekten.

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen aufgrund ihrer geometrischen Freiheitsgrade die Herstellung komplexer, optimierter Produkte. Trotzdem sind in der Anwendung der Technologie zahlreiche Potentiale noch nicht erschlossen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung von Potentialen in der additiven Fertigung sowie deren Erschließung über eine cloudbasierte Plattformlösung vorgestellt. Die Evaluierung eines dafür entwickelten Prototyps zeigt die hohe Leistungsfähigkeit der Methodik, effizient, effektiv und transparent Potentiale in der additiven Fertigung zu erkennen und wirtschaftliche Anwendungsfälle zu erschließen.

Ultra-short pulse laser processing of ultra-hard materials requires an accurate and agile experimental and analytical investigation to determine an efficient choice of parameters and settings to optimize ablation.

In der laseradditiven Fertigung stellen fehlende Vorgaben für die Qualität des Metallpulvers und mangelnde Kenntnisse über den Einfluss der Pulvereigenschaften auf die Qualitätsmerkmale der Bauteile besondere Herausforderungen dar, die die Etablierung der Technologie als (Serien-)Produktionsverfahren erschweren. Gegenstand dieser Dissertation sind grundlegende Untersuchungen zum Werkstoff- und Prozessverhalten von Metallpulvern in der laseradditiven Fertigung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Anforderungen an das Eigenschaftsprofil eines Pulverwerkstoffs für die laseradditive Fertigung formuliert, die zum Zwecke der Qualitätssicherung zu prüfenden Pulvereigenschaften vorgeschlagen und Handlungsempfehlungen zum Transport, zur Lagerung und zum Recycling abgeleitet.