Light Engineering für die Praxis – serie

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 μm 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 μm, 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 μm 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.

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.

This book provides an in-depth exploration of process planning steps required for Directed Energy Deposition (DED) processes and their automation during the data preparation stage. DED is a resource-efficient, tool-less manufacturing method with high deposition rates and larger build volumes. Their flexibility, enabled by 6-axis industrial robots, allows fabrication of complex geometries, but poses challenges in data preparation and build strategy definition due to software limitations and lack of standards. This thesis thereby deals with the development of a STEP file format-based slicing framework with toolpath generation algorithms specific to build geometries clustered under six categories. Thin-wall components cluster, an important part category in the aerospace sector, is being further examined because of its industrial relevance.

Previous research indicates that incorporating biomimetic beam‑like structures into topology optimization designs can enhance the lightweight characteristics of components such as aviation brackets that were produced by the additive manufacturing technique of powder bed fusion of metal with a laser beam. However, there is a need for detailed design methodologies to effectively implement such design modifications. The first research question of this thesis explores how a design methodology can be developed to generate biomimetic design components from density‑based topology optimization designs. The secondary research question assesses the lightweight characteristics of the outcomes generated by such a methodology, comparing them to those of the input topology optimization design. A five‑step design methodology with detailed submethodologies was developed. It takes a topology optimization design as an input and, in the first step generates an auxiliary 3D model consisting of cylindrical beams and spherical nodes that resembles the topology optimization design. A skeletonization approach is used for abstraction. In the second step, a finite element analysis of the auxiliary model is performed to evaluate the internal forces and moments in its beams. In step three, two biomimetic parametric beam designs as well as two conventional parametric beam designs are considered for parameter optimization for each of the beam load cases from the auxiliary model. The most lightweight optimized beam is selected for each of the beams of the abstraction, respectively. Buckling analyses and re‑dimensioning of optimized beams are performed, if necessary. In step four, adapted nodes for the biomimetic component design are generated. The nodes contain a lattice infill structure to ensure powder‑removability and a lightweight design. In step five, the complete biomimetic component design is validated by finite element analysis and the mass of the component is evaluated. Thus, a complete design methodology was developed successfully. Three common topology optimization problem formulations were considered for validation of the developed biomimetic design methodology. Finite element analyses of the biomimetic designs yielded the existence of critical regions of high stress in all three of the biomimetic components. However, the locations of critical stresses have been associated with specific regions within the biomimetic designs. Mass evaluation showed that the biomimetic component designs are 12.5 % - 30.3 % lighter compared to their topology optimization counterparts. The developed methodology stands out from previously existing research as it considers the internal forces and moments in beams and closes a research gap for detailed design methodologies for biomimetic structural components. This thesis contributes to harnessing the immense potential of biomimetic design in lightweight industries, such as aerospace and automotive. Future research should refine the presented methodology and perform experimental assessment of component designs generated by it.

Sinter-based additive manufacturing enables the production of complex metallic components — but the path from digital design to reliable functional parts remains fraught with challenges. This book bridges the gap between research and industrial application by providing a systematic framework for the entire material extrusion (MEX/M) process chain. The book offers engineers, researchers, and graduate students a structured methodology to understand, control, and optimize the MEX/M process — from material selection and printing parameters to post-processing and final part qualification. By combining experimental investigation with data-driven approaches, it provides actionable insights for both academic research and industrial implementation in lightweight engineering and beyond.

Additive manufacturing offers promising solutions to challenges in modern industries. Powder bed fusion with a laser beam for metals (PBF-LB/M) has reached high maturity, enabling decentralized, on-demand production of high-performance components that helps mitigate supply chain disruptions.A key advantage of PBF-LB/M is its exceptional design freedom, enabling the tool-less fabrication of complex geometries—such as topology-optimized lightweight designs or patient-specific medical implants—that cannot be realized with conventional methods. This reduces manufacturing steps and material waste, making it widely used in aerospace and medical technology.Despite these advantages, PBF-LB/M faces significant challenges in quality, time efficiency, and cost-effectiveness. Long process times lead to high production costs, limiting competitiveness at high volumes. Increasing productivity without compromising quality is essential for broader industrialization.This work optimizes the theoretical build rate for AlSi10Mg using a ring-shaped laser intensity distribution combined with high laser power. The optimized process achieved a 233% increase in build rate—from 10.8 mm³/s to 36 mm³/s—compared to a Gaussian reference process at 370 W. Economic analysis on an EOS M290 with 60 µm layer thickness revealed a maximum reduction of ~70% in process time and cost, with realistic savings of 50–65% under optimal conditions.

Additive Fertigungsverfahren sind nach ersten wirtschaftlichen Erfolgen auf dem Sprung in die Serienfertigung. Der Einsatz dieser Fertigungsverfahren in der industriellen Praxis wird insbesondere im Hinblick auf das Lasergenerieren untersucht (SLM/LaserCusing). Fallbeispiele aus der Medizintechnik und der Luftfahrtindustrie verdeutlichen die Erfolgsfaktoren bei der Implementierung von additiven Fertigungsverfahren. Die Autorin identifiziert zudem, wie sich Marktchancen und -risiken frühzeitig erkennen lassen und gibt Handlungsempfehlungen für Einsteiger in die Technologie.

Diese Dissertation beschreibt, wie durch die Anpassung der Belichtungsstrategie eine luftdurchlässige Mesostruktur erzeugt wird. Der Autor geht der Frage nach, welchen Einfluss die Geometrieparameter auf die Luftdurchlässigkeit, die mechanische Robustheit und die thermischen Eigenschaften haben. Zum Abschluss wird als Referenzanwendung ein Druckluftauswerfersystem für Kunststoffspritzgiesswerkzeuge realisiert. Dieses ersetzt das mechanische System vollständig und bietet zusätzlich ein Plagiatsschutzmerkmal. Für Wissenschaftler, Anwender und Konstrukteure, die sich mit der laseradditiven Fertigung auseinandersetzen ist das Buch gleichermaßen von besonderem Interesse.

Diese Dissertation beschreibt eine Methodik zur Potential- bzw. Gesamtwirtschaftlichkeitsbewertung generativer Fertigungsverfahren von Produkten in der Vor-Design Phase. Drei Potentialbereiche Leichtbau, Funktion und Kosten/Zeit werden quantitativ bewertet. Dabei liegt der inhaltliche Fokus auf der Abschätzung des optimierten Bauteilgewichts und Leichtbaupotentials. Die Betrachtungen beinhalten die Bauteilgruppen der Sekundärstrukturelemente und Hydraulikkomponenten aus der Luftfahrt sowie die Fertigungsverfahren Selektives Laserschmelzen, CNC-Fräsen und Feinguss.

Die laseradditive Fertigung bietet durch ihre hohe geometrische Gestaltungsfreiheit insbesondere für Leichtbauanwendungen in der Luftfahrt großes Potential. Vor diesem Hintergrund erfolgt im Rahmen der Arbeit die Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien für die verfahrensgerechte Bauteilkonstruktion und ihre Übertragung auf eine Methodik für die Konstruktion mittels laseradditiver Fertigung hergestellter Leichtbaustrukturen. Das Vorgehen wird anhand von zwei Bauteilen aus der Luftfahrtindustrie erarbeitet und demonstriert.

Insbesondere die pulverbettbasierte laseradditive Fertigung (LAM) etabliert sich in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik sowie dem Fahrzeugbau als Fertigungstechnologie von Funktions- und Serienbauteilen. Die hohen Anforderungen an die Qualität und strukturelle Integrität dieser Industrien erfordern, die Eigenschaften von laseradditiv gefertigtem TiAl6V4 besonders im Hinblick auf zyklische Beanspruchung detailliert zu untersuchen. Der Autor identifiziert dazu die einzelnen prozessinhärenten mikro- und makrostrukturellen Werkstoff- und Bauteileigenschaften und untersucht deren Einfluss auf das Ermüdungsverhalten.

Das Laserstrahltrennen kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe besitzt wegen der verschleiß- und kraftfreien Wirkungsweise technisches und wirtschaftliches Potential. Die geringe technische Bearbeitungsgüte in Form einer Wärmeeinflusszone oder geringe Vorschubgeschwindigkeiten beim Trennen hemmen die Etablierung des Verfahrens. Die Arbeit zeigt die Ursache für den primären Zielkonflikt zwischen der mittleren Breite der Wärmeeinflusszone und der effektiven Vorschubgeschwindigkeit beim Trennen mit mehrfacher Laserbelichtung auf. In der Arbeit wird auf der Grundlage dieses Zielkonflikts eine Prozessgüte definiert, die durch empirische und simulative Methoden optimiert wird. Dazu wird eine werkstoffliche Modifikation zur Steigerung der Absorption der Laserstrahlung vorgenommen. Zudem wird mittels numerischer Prozesssimulation und  -optimierung die werkstoffliche Anpassung an den Laserprozess und insbesondere die abschnittsweise Anpassung der Prozessparameter untersucht. Weiter wird ein Verfahren zur kontaktfreien Messung der Breite der Wärmeeinflusszone mittels Thermografie behandelt. Die Ansätze werden an einem Automobilbauteil demonstriert.

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.

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.

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.

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.

Das Laser-Remote-Trennen von Leichtbauwerkstoffen wie hochfesten Stählen oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen stellt eine wirtschaftliche Alternative zu etablierten Verfahren dar. Die Arbeit zeigt auf, wie durch die Charakterisierung von Prozessemissionen eine Aussage zum Prozessfortschritt getroffen und somit die Bearbeitungsgeschwindigkeit bzw. die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gesteigert werden kann.

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. Therefore, this work presents a quality-oriented experimental approach and an analytical approach for the modeling and validation of multi-pulse picosecond laser beam ablation on cemented tungsten carbide. This work starts with a review of literature and state-of-the-art theories of four relevant areas for this research: picosecond lasers, laser beam ablation process, cemented tungsten carbide (WC) and quality-oriented tools. Subsequently, a concept for an efficient material laser beam ablation with a picosecond laser was introduced. Furthermore, two approaches for the investigation are presented from an experimental and analytical perspective, respectively. The first approach introduced a methodology for the identification of influential parameters. It executes a quality-oriented methodology based on the SWOT analysis, cause-and-effect diagram and the variable search methodology. The conclusion of the methodology gave the interaction of pulse repetition rate and scanner speed in the form of pulse overlap and track overlap PO/TO as the most influential parameter in the maximization of the ablation rate. The second most influential factors resulted laser beam power and burst-mode. The second approach, description of the model, executes a theoretical analysis of the picosecond laser beam ablation of cemented WC by the application of the Beer-Lambert law and multi-pulse ablation modeling. The unavailable material properties were obtained by experimental investigations, like in the cases of the incubation factor and the reflectivity factor. Threshold fluence for cemented WC was determined by the application of the heat transfer theory and input power intensity was adapted to a Gaussian beam profile. At the end of the approach, power density visualizations of a picosecond laser pulse under the five available pulse repetition rates were modeled and validated. The findings from the adaptation of the Beer-Lambert law acted as basis for development of the multi-pulse laser ablation model for both single-pulse mode and burst-mode, respectively. Based on the definition of the number of pulses N irradiating the same area, the corresponding threshold fluence for N, the input fluence and incubation factor, ablation depth was modeled and experimentally validated. Finally, results and conclusions of both approaches were discussed and a framework for an efficient laser beam ablation was presented. Recommendations for further actions on research and industry were introduced at the end of the work.

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.

Die Reparatur von CFK Strukturbauteilen stellt eine der wesentlichen Herausforderungen für die Instandhaltung moderner Verkehrsflugzeuge dar. In der vorliegenden Arbeit wird dafür ein Prozess zur laserbasierten Klebflächenvorbereitung für eine adhäsiv ausgeführte Reparatur entwickelt. Dabei werden neue methodische Ansätze für die Beschreibung und Steuerung von Laserprozessen hergeleitet, welche eine thermische Prozesssteuerung und damit eine Homogenisierung der Prozesstemperatur für beliebige Geometrien ermöglichen.

Additive Fertigungsverfahren besitzen hohes Potential für die Entwicklung hochleitungsfähiger Bauteile in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Die hohe Anzahl an geometrischen Freiheitsgraden macht jedoch den Einsatz von Designalgorithmen unumgänglich. In der vorliegenden Arbeit wird das Generative Design von multiphysikalisch beanspruchten Bauteilen anhand von Kühlkörpern unter erzwungener Konvektion vorgestellt. Dies umfasst die systematische Entwicklung des geometrischen und simulativen Modells sowie die Optimierung zur Leistungssteigerung des Bauteils.

Topologieoptimierungen ermöglichen die funktionsgerechte Gestaltung von Hochleistungskomponenten, resultieren jedoch zumeist in komplexen Bauteilgeometrien. Die Additive Fertigung ist aufgrund der möglichen großen Gestaltungsfreiheit besonders für die Herstellung solcher Komponenten geeignet. Es gilt jedoch die prozessseitigen Restriktionen der Additiven Fertigung zu berücksichtigen, um die Herstellbarkeit der Bauteile sicherzustellen. Eine direkte Integration der Restriktionen in die Topologieoptimierungen erhöht dabei die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion. In der Arbeit wurden neue Methoden zur Stoffschlüssigkeit, der Vermeidung von geschlossenen Kavitäten sowie die Vermeidung von nicht selbststützenden Kanälen erforscht.

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. However, its market share is still small compared to conventional manufacturing technologies. Major drawbacks hindering an industrial ramp-up are low productivity, high part costs and issues with quality and reproducibility. Comprehensive research has been done to overcome these challenges, but little attention has been paid to addressing them by optimizing the laser beam profile. Therefore, the author examines the effect of the laser beam profile on the productivity and process stability through both numerical and experimental investigations. The results show clear advantages an optimized laser beam profile offers.

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.

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.

In diesem Buch wird das Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet, ein variabel einsetzbares generatives Fertigungsverfahren, das spezifische Vorteile in den Industriezweigen Beschichten, Reparieren und mittlerweile auch in der additiven Fertigung (3D-Druck) aufweist. Um das vollständige Potenzial als ressourcenschonende Technologie nutzen zu können, sind jedoch noch unterschiedliche Aufgabenstellungen entlang der Prozesskette zu optimieren. In der Anwendung lassen sich starke Abhängigkeiten zwischen der Bauteilgeometrie und dem Prozess beobachten, sodass nach heutigem Stand keine einheitliche Aufbaustrategie für beliebige Bauteile angewendet werden kann. Durch signifikante Unterschiede der thermischen Randbedingungen im Prozess und zwischen den Bauteilgeometrien wird oftmals eine variierende Prozessstabilität und damit auch Bauteilqualität beobachtet. Es ist somit stets eine iterative, meist experimentelle Prozessoptimierung notwendig. Diese erfordert Expertenwissen und geht mit hohenRessourcenkosten sowie langen Entwicklungszeiten einher. Folglich ist eine breite Industrialisierung dieses Verfahrens speziell für die additive Fertigung nach wie vor eingeschränkt. Um diesem Defizit entgegenzuwirken, wird in dem vorliegenden Buch eine temperaturadaptive Prozessauslegung vorgestellt. Auf Grundlage von empirisch ermittelten Daten und einer thermischen Simulation wird eine automatisierte Generierung einer angepassten Prozessstrategie für beliebige Bauteile ermöglicht.

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.

Dieses Buch gibt darüber Aufschluss, wie die Prozessstabilität als Maß für die Qualitätssicherung mit der Spritzerintensität korreliert und welche Einflussgrößen diese beeinflussen. Innerhalb der durchgeführten Arbeiten wurde zunächst ein methodisches Vorgehen zur Quantifizierung der Prozessinstabilitäten auf Basis der resultierenden Anzahl an Prozessspritzern entwickelt, wobei diese Methodik in mehreren darauffolgenden Schritten dazu verwendet wurde, um gezielt die Auswirkungen einiger ausgewählter Einfluss- und Stellgrößen im Kontext der PBF-LB/M-Prozessstabilität zu untersuchen und innerhalb einer Potenzialanalyse zur spritzerreduzierten Prozessführung zu bewerten. Dabei wurden neben den grundlegenden Prozessparametern (Schichtstärke, Fokusdurchmesser, Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Hatch-Abstand und der Gasstromwinkel) auch der vorherrschende Umgebungsdruck in der Prozesskammer, das verwendete Inertgas, einige Eigenschaften des Pulvermaterials sowie die Auswirkungen unterschiedlicher Laserstrahlformen hinsichtlich der resultierenden Anzahl an Prozessspritzern untersucht. Weiterführend wurde eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt, die sich sowohl mit Potenzialen zur Steigerung der Produktivität der einzelnen Stellgrößen als auch mit einer Kostenbetrachtung anhand eines Fallbeispiels in unterschiedlichen Szenarien beschäftigt.

Die Qualitätssicherung stellt eine große Herausforderung für die Industrialisierung der Additiven Produktion dar. Eine Prüfung der Qualität ist bereits während des Prozesses essenziell. In diesem Buch erfolgt daher die Entwicklung einer neuartigen Lasertriangulationssensorik für die geometrische Qualitätssicherung im roboterbasierten Auftragschweißprozess. Dazu werden die Einflüsse auf die Sensoren während der In-Prozessvermessung untersucht und geeignete Maßnahmen für den industriellen Einsatz abgeleitet. Auf Basis dessen erfolgt die Realisierung einer richtungsunabhängigen Sensorik, sowie deren mathematische Modellierung und der für die Multi-Kamera-Multi-Laser-Triangulation und das Robotersystem geeigneten Kalibrierung. Die erforschte Lösung bildet zukünftig die Basis für die geometrische Qualitätssicherung in der Additiven Produktion und zum weiteren Verständnis der Schichtausprägung im Auftragschweißprozess.