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.

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

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. 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.