Light Engineering für die Praxis - Böcker

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.

Additive manufacturing is considered a key technology for digital production. Topology optimization is used for design rule determination, and the space colonization algorithm is adapted for the automated design.

mso-fareast-font-family: Aptos; mso-bidi-font-family: Aptos; mso-bidi-language: AR-SA;">This book provides an in-depth exploration of process planning steps required for Directed Energy Deposition (DED) processes and their automation

Additive Fertigungsverfahren sind nach ersten wirtschaftlichen Erfolgen auf dem Sprung in die Serienfertigung. Fallbeispiele aus der Medizintechnik und der Luftfahrtindustrie verdeutlichen die Erfolgsfaktoren bei der Implementierung von additiven Fertigungsverfahren.

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.

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 Arbeit zeigt die Ursache für den primären Zielkonflikt zwischen der mittleren Breite der Wärmeeinflusszone und der effektiven Vorschubgeschwindigkeit beim Trennen mit mehrfacher Laserbelichtung auf.

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.

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. Die Anwendung des entwickelten Prozesses führt zum exemplarischen Einsatz der Werkzeuge in der Hartzerspanung.

Die Arbeit zeigt auf, wie durch die Charakterisierung von Prozessemissionen eine Aussage zum Prozessfortschritt getroffen und somit die Bearbeitungsgeschwindigkeit bzw.

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.

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 Reparatur von CFK Strukturbauteilen stellt eine der wesentlichen Herausforderungen für die Instandhaltung moderner Verkehrsflugzeuge dar.

Additive Fertigungsverfahren besitzen hohes Potential für die Entwicklung hochleitungsfähiger Bauteile in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Dies umfasst die systematische Entwicklung des geometrischen und simulativen Modells sowie die Optimierung zur Leistungssteigerung des Bauteils.

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.

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.

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.

Der komplementäre Einsatz additiver Fertigungsverfahren im Metallpulverspritzguss (MIM) geht mit signifikanten Zeit- und Kosteneinsparungspotenzialen einher.

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.

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.

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.

Die schweißtechnische Verbindung von laseradditiv gefertigten (3D Druck) Aluminiumbauteilen zeigt eine unzulässig hohe Schweißnahtporosität, die bisher unerforscht ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein tiefgehendes Verständnis über die Laserschweißbarkeit dieser Bauteilen vermittelt und Methoden dargestellt, um diese zu optimieren. Hierfür erfolgt zunächst eine Klärung der Porenursache. Darauf aufbauend werden optimierte Schweißstrategien für diese Bauteile dargestellt sowie der werkstoffkundlichen Ursache der Nahtporosität bereits in der Bauteilentstehung, dem 3D-Druckprozess, entgegengewirkt. Weiterhin werden Konstruktionsrichtlinien erarbeitet, die dem Konstrukteur intuitiv eine prozessgerechte Gestaltung der Baugruppen ermöglichen.

Dieses Buch umfasst die Erforschung und Entwicklung einer prozessbegleitenden, adaptiven, softwarebasierten und flexibel für Laser-Remote-Scanner anpassbaren Korrekturmethode und eines Sensorkonzepts zur Stabilisierung der Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung und damit der Einhaltung des vorgegebenen Laserstrahldurchmessers und der prozessrelevanten Intensitätsverteilung an der Wirkstelle bei der Lasermaterialbearbeitung, wie dem Laserstrahlschneiden, -schweißen und -abtragen sowie dem selektiven Laserstrahlschmelzen (3D-Druck). Die mit dieser Arbeit entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung ist vorzugsweise für fasergebundene Laser-Remote-Scanner mit Linsenoptiken für hohe Laserleistungen ausgelegt und bietet den Anwendern C++-codierte Korrekturalgorithmen, die in die Scannersteuerung implementierbar sind und die das mit dieser Arbeit entwickelte ABCD-Fokusmodell zur verbesserten Einstellung der Soll-Prozessfokuslage gegenüber linearen Fokusmodellen sowie die matrizenoptik-, raytracing- und PID-regelkreisbasierte aktive Korrektur des Fokus-Shifts beinhalten.Die mit dieser Arbeit entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung wurde am Beispiel des vorgegebenen und an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) entstandenen 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems „Dragon“ zur Überprüfung der Wirkung eingesetzt und simulativ erprobt. In der Umsetzung wurden passive und aktive Analyse- und Korrekturmethoden des Fokus-Shifts recherchiert, ihre Eignung für das 30-kW-Laser-Remote-Scannersystem „Dragon“ analysiert und bewertet und die Ergebnisse tabellarisch aufgeführt. Weiterhin wurden die Zusammenhänge der herausgearbeiteten Problemstellungen zur Erfüllung der daraus festgelegten Zielstellung mit den abgeleiteten Teilzielen erforscht. Dazu wurden der Einfluss der Thermischen Linse und der Umgebungsgrößen auf den Fokus-Shift untersucht. Außerdem wurden die zur Thermischen Linse führenden thermischen Effekte (thermo-optischer Effekt, spannungs-optischer Effekt, End-Effekt) beschrieben und die mathematische Modellbildung der Thermischen Linse auf der Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) umgesetzt. Zusätzlich wurden eine Sensorintegration und eine mathematische Modellbildung der Brechzahl der Luft durchgeführt, um die prozessbegleitend gemessenen Umgebungsgrößen zur direkten Anpassung der Korrekturalgorithmen zu erfassen und in die Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung einzubinden. Abschließend wurde auf der Basis der Matrizenoptik (ABCD-Matrizen) die Möglichkeit geschaffen, das optische Gesamtsystem mathematisch und kompakt zu beschreiben und somit die computergestützte Berechnung zu beschleunigen.Im Ergebnis der Erforschung und Entwicklung können mit dem mit dieser Arbeit entwickelten ABCD-Fokusmodell die Einstellung der Soll-Prozessfokuslage des 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems „Dragon“ bis zu einer Größenordnung gegenüber dem bislang genutzten linearen Fokusmodell verbessert und der Fokus-Shift aktiv durch die Erweiterung mit einem zeitdiskreten PID-Regelkreis minimiert, die Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung stabilisiert und damit der vorgegebene Laserstrahldurchmesser und die prozessrelevante Intensitätsverteilung an der Wirkstelle wirkungsvoll eingehalten werden.Die Zielgruppe sind Lasersystemtechnikentwickler, -hersteller und -integratoren, Anwender in der Lasermaterialbearbeitung sowie wissenschaftlich und technisch Interessierte.

Laseradditiv hergestellte Bauteile zeichnen sich durch eine geometrisch freie Gestalt aus, bedürfen jedoch aufgrund ihrer rauen Oberflächen einer Nacharbeit. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines innovativen Fertigungsverfahrens, das die laseradditive mit der lasersubtraktiven Fertigung kombiniert, um dieser Herausforderung zu begegnen. Die Ergebnisse belegen, dass die Nachbearbeitung durch Laserstrahlabtragen die Maßhaltigkeit und die Oberflächengüte additiv aufgebauter Strukturen verbessert. Eine Prozessdemonstration zur Herstellung von Stanzwerkzeugen zeigt die technischen und wirtschaftlichen Vorteile gegenüber der konventionellen Fertigung. Zukünftig bietet die Integration beider Laserverfahren weiteres Automatisierungspotenzial.