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2024 | Buch

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Prozessstabile additive Fertigung durch spritzerreduziertes Laserstrahlschmelzen

verfasst von: Philipp Kohlwes

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Light Engineering für die Praxis

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

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.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung und Motivation

Zusammenfassung

In den vergangenen Jahrzehnten fand eine Transformation der industriellen Fertigung statt. So wurden beispielsweise immer individuellere Produkte angefragt, die mit immer kürzeren Lieferzeiten einhergingen. Zeitgleich stiegen jedoch die Rohstoffpreise und Energiekosten, wodurch einige Fertigungsverfahren nicht länger wirtschaftlich betrieben werden konnten [71, 94]. Insbesondere die Bevölkerung in Industrieländern setzte zudem auf ein steigendes Umweltbewusstsein, was seitens Politik durch eine Vielzahl an Fördermaßnahmen im Bereich ressourceneffizienter Fertigungstechnologien aufgegriffen wurde [20–23, 116].

Philipp Kohlwes

Kapitel 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Zusammenfassung

Der Begriff der additiven Fertigung ist unter anderem in der deutschsprachigen VDI 3405 [29] sowie in der englischsprachigen ASTM F2792 [11] genormt. Er umfasst verschiedene zugrundliegende Verfahren, bei denen ein schichtweiser Herstellungsprozess zur Fertigung von Bauteilen die Grundlage bildet. Zugeordnet ist die additive Fertigung innerhalb der DIN 8580 [27], welche alle Fertigungsverfahren nach gemeinsamen Verfahrensprinzipien in sechs unterschiedliche Hauptgruppen unterteilt, der ersten Kategorie, also den urformenden Verfahren. Eine Übersicht über die Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 [27] ist in Abbildung 2.1 dargestellt.

Philipp Kohlwes

Kapitel 3. Forschungsbedarf und Lösungsweg

Zusammenfassung

Innerhalb dieses Kapitels wird aus dem Stand der Technik der noch bestehende Forschungsbedarf abgeleitet und anhand des Lösungswegs beschrieben, wie mit dieser Arbeit die vorhandene Lücke geschlossen werden soll. Dabei unterteilen sich die Unterkapitel in die grundlegenden Prozessparameter, den Umgebungsdruck, das Prozessgas, das Pulvermaterial sowie die Laserstrahlform.

Philipp Kohlwes

Kapitel 4. Verfahren und Methode

Zusammenfassung

Innerhalb dieses Kapitels wird das methodische Vorgehen zur Ermittlung der beim selektiven Laserstrahlschmelzen auftretenden Prozessspritzer näher erläutert. Da diese sehr klein sind und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen, wird zur Erfassung eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einem optimal auf die durchgeführten Versuche abgestimmtem Objektiv verwendet. Das verwendete Equipment mitsamt aller relevanten Einstellungen ist in Kapitel 4.1.1 beschrieben. Für die Auswertung der Aufnahmen wird ein eigener Algorithmus programmiert, welcher die resultierende Spritzerbildung automatisiert quantifiziert und dem jeweiligen Entstehungsort zuordnet.

Philipp Kohlwes

Kapitel 5. Prozessspritzeranalyse

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die resultierenden Ergebnisse aus der Prozessspritzeranalyse aufbereitet und anhand der im Stand der Technik beschriebenen Mechanismen diskutiert. Dazu gliedern sich die Unterkapitel gemäß der analysierten Stellgrößen und Einflussfaktoren in die Prozessparameter, den Umgebungsdruck, das Prozessgas, das Pulvermaterial sowie die Laserstrahlform.

Philipp Kohlwes

Kapitel 6. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Zusammenfassung

Innerhalb dieses Kapitels wird auf Basis der generierten Ergebnisse eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für eine spritzerreduzierte PBF-LB/M-Prozessführung durchgeführt. Hierbei werden die einzelnen Stellgrößen hinsichtlich der Auswirkungen auf die Produktivität analysiert und bewertet.

Philipp Kohlwes

Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Das PBF-LB/M-Verfahren bietet aufgrund kurzer und schneller Wertschöpfungsketten zur endkonturnahen Bauteilfertigung, der Möglichkeit zur Realisierung resilienter Fertigungslinien sowie dem hohen Maß an möglicher Bauteilkomplexität mittels eines ressourcenschonenden Herstellungsprozesses ein enormes Potenzial für derzeitige sowie zukünftige Prozessketten. Unter anderem wird dies durch die hohe prognostizierte Wachstumsrate von 26,1 % bis ins Jahr 2027 deutlich. Zur Erschließung weiterer Marktpotenziale werden ständig Innovationen im Bereich einer noch produktiveren Prozessführung erarbeitet, die häufig mit einem immer höheren Energieeintrag pro Zeit einhergehen, der jedoch zeitgleich zu einer erhöhten Menge an unerwünschten Prozessnebenprodukten, wie zum Beispiel Prozessspritzer, führt. Diese beeinflussen den Aufschmelzprozess jedoch nachteilig und resultieren aufgrund einer instabileren Prozessführung in herabgesetzten Bauteileigenschaften.

Philipp Kohlwes

Backmatter

Titel: Prozessstabile additive Fertigung durch spritzerreduziertes Laserstrahlschmelzen
verfasst von: Philipp Kohlwes
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-69082-6
Print ISBN: 978-3-662-69081-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-69082-6

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