Abschlussarbeiten
Goethelab
Beim GoetheLab versuchen wir stets die Technologie des AM voranzutreiben und weiter zu entwickeln. Eine Form dazu sind studentische Abschlussarbeiten. In der folgenden Auflistung finden sie einen thematischen Einblick in erfolgreich absolvierte Master- oder Bachelorarbeiten im Lehrgebiet „Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing“ von Prof. Dr.-Ing. Sebastian Bremen.
Abschlussarbeiten 2023
Konzeptionierung eines Prüfstandes zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von additiv mittels LPBF gefertigter Proben aus dem Edelstahl 1.4404
Philipp Nink, Masterarbeit (Dezember 2023)
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Validierung eines Prüfstandes zur qualitativen Messung der Wärmeleitfähigkeit von LPBF-gefertigten Edelstahlbauteilen. Dabei ist ein kostengünstiger Messaufbau erarbeitet worden, um qualitative Vergleichsmessungen verschiedener Versuchsreihen durchführen zu können. Entlang der Prozesskette sind die Einflussfaktoren verschiedener Fertigungsparameter, wie beispielsweise Aufbaurichtung, Pulverqualität und Volumenenergiedichte und deren Auswirkungen auf die WLF untersucht worden. Eine veränderte WLF beeinflusst die Wärmeinflusszone des Materials und kann sich negativ auf Eigenspannungen und daraus resultierenden Schweißverzug ausüben.
Durch eine Nutzwertanalyse wird ein geeignetes Messverfahren ermittelt. Die Entwicklung des Prüfstandes wird anhand normgerechter stationärer Prüfverfahren ausgearbeitet. Dabei werden die Vorteile eines Heat-Flow-Meters mit der Thermal-Interface-Material Methode kombiniert. Messaufbau und Probengeometrien werden dafür auf eigenen Anlagen additiv hergestellt. Entlang der Versuchsreihen werden die resultierenden Messergebnisse miteinander verglichen und analysiert. Anhand der Ergebnisse der Messreihen wird die Reliabilität des Prüfstandes bewertet. Metallurgische Untersuchungen zur Dichtebestimmung stützen dabei Aussagen über die Auswirkungen der Einflussfaktoren.
Mithilfe dieser Arbeit konnten eine kostengünstige Neuentwicklung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit additiv gefertigter Proben erarbeitet werden. Die Kombination der Messprinzipien hat sich mit einer Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von >99,7% als sehr effektiv herausgestellt. Bei der Untersuchung der einzelnen Versuchsreihen entlang der Prozesskette konnte kein Einfluss der Aufbaurichtung auf die WLF festgestellt werden. Hingegen wurden bei der Verwendung von gealtertem Pulver eine deutlich reduzierte WLF gemessen. Bei reduzierter VED wurde eine erwartungsgemäß geringere Dichte der Bauteile erzielt und zudem auch eine stark verschlechtertes WLF der Bauteile erzielt.
Abschlussarbeiten 2022
Evaluation einer Laserstrahlquelle für den LPBF-Prozess
Timo Heß, Bachelorarbeit (Dezember 2022)
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, anhand eines Produkt-Benchmarks, eine Diskussionsgrundlage für den Einsatz einer neuen Laserstrahlquelle eines LPBF-Systems zu schaffen. Innerhalb des Benchmarks soll eine bereits verwendete Laserstrahlquelle mit einer weiteren Laserstrahlquelle verglichen werden. Die zu Grunde liegende Motivation stellen dabei die Baugrößenreduzierung, sowie die Unabhängigkeit von einzelnen Lasersystemherstellern dar. Der erarbeitet Produkt-Benchmark bildet des Weiteren die Grundlage für nachfolgende Evaluationsverfahren.
Für den Produkt-Benchmark wird die alternative Laserstrahlquelle in ein bestehendes LPBF System integriert. Anschließend werden Vergleichskriterien definiert, welche die Grundlage des Benchmarks bilden. Anhand der zuvor ermittelten Methodik werden Probekörper entworfen, die von den zu vergleichenden Systemen gefertigt werden. Mit Hilfe von diversen Prüfverfahren werden die Fertigungsresultate im Anschluss miteinander verglichen. Diese Ergebnisse bilden die Diskussionsgrundlage zum Einsatz der Laserstrahlquellen.
Der Produkt-Benchmark der Laserstrahlquelle ist mit einer Erwartungshaltung an die Ergebnisse verknüpft. Hinsichtlich der technischen Kriterien und damit
dem Einfluss der Laserstrahlquelle auf den LPBF-Prozess, wird beim Vergleich mit gleichwertigen Ergebnissen gerechnet. Diese Ergebnisse sind dabei ausschlaggebend, um eine Unabhängigkeit von einzelnen Lasersystemherstellern zu erzielen. Bezüglich der wirtschaftlichen Kriterien, sowie der reduzierten
Baugröße wird eine Verbesserung erwartet, welches die Motivation dieser Arbeit widerspiegelt.
Untersuchung des Einflusses von Infillstrukturen auf die Druckfestigkeit von FDM gefertigten Bauteilen aus Hochleisungspolymeren
Lukas Hedwig, Bachelorarbeit (November 2022)
Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss des Infills und insbesondere des Infill-Musters auf die Druckfestigkeit von FLM gedruckten Bauteilen aus PEEK zu evaluieren. Dabei sollen die Auswirkungen von Infill-Dichte und Infillstruktur auf die Druckfestigkeit untersucht werden. Es sollen Proben aus PEEK und PETG in mehreren Versuchsreihen geprüft werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen soll die Korrelation sowie das Versagensverhalten zwischen Infill-Dichte / Bauteildichte und steigenden Lasten untersucht werden.
Die Festigkeitswerte wurden an Würfel mit einer Größe von 12,7×12,7×10 mm³ gemessen. Dabei wurden in fünf Versuchsreihen die Parameter Infill-Muster, Infill-Dichte, Schichtstärke sowie die thermische Nachbehandlung und die Prozesstrategie variiert. Alle Proben wurden nach DIN-604 auf Druckfestigkeit untersucht. Die Ergebnisse der Druckversuche wurden statistisch augewertet.
In V1 wurde gezeigt, dass das eine thermische Behandlung der PEEK-Proben, zu einer deutlich höheren Festigkeit führt. In V2 wurde die maximale Festigkeit der ausgewählten Infill-Muster in Z-Richtung mit dem Grid-Infill, in XY-Richtung je nach Material mit Kubisch oder Gyroid erreicht. In V3 wurden verschiedene Prozessstrategien untersucht, die sich durch Bauraumtemperatur und Druckgeschwindigkeit unterscheiden. Die Prozessparameter haben einen deutlich höheren Einfluss auf die mechanischen Kennwerte als das verwendete Infill-Muster. Dieser Einfluss wurde in V4 genauer untersucht. Abschließend wurde in V5 der Einfluss der Schichtstärke betrachtet. Die höchste Festigkeit wurde bei 0,1mm Schichtstärke erreicht.
Entwicklung von additiv gefertigten Hybridbauteilen mittels Laser Powder Bed Fusion und Fused Deposition Modeling
Luca Krüger, Bachelorarbeit (September 2022)
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prozesses zur Verbindung von Kunststoff und Metall mittels der additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Fused Deposition Modeling (FDM). Die Fragestellung umfasst, ob und wie dies umsetzbar ist. Im Fokus liegt dabei die Gestaltung der Verbindungsstelle. Im Zuge der Untersuchungen werden hybride Probenkörper gefertigt.
Es werden drei unterschiedliche Oberflächenstrukturen der Metallseite untersucht, welche mit dem FDM Prozess bedruckt werden. Die Oberflächenstruktur des Probentypen C ist gitterförmig, Probentyp D weißt Rillen auf und Probentyp E besteht aus einer periodischen 3D-Gitterstruktur. Die FDM-Parameter werden variiert, um eine möglichst gute Verbindung zwischen den Werkstoffen zu erreichen.
In den durchgeführten Zugscherversuchen nach DIN 6701-3 erreichen die Proben des Typ C die höchsten Scherspannungen mit 5 MPa. Insgesamt kann gezeigt werden, dass die Verbindung der beiden verwendeten additiv Verfahren und Werkzeuge umsetzbar ist. Aufbauend auf den untersuchten Grundlagen sollte in anschließenden Forschungsprojekten das volle Potenzial des Prozesses ermittelt werden.
Feinjustierung von Werkzeugen: Höheneinstellung im Nanometerbereich durch ein hydraulisches System
Raphael Badent, Bachelorarbeit (Juni 2022)
Innolite möchte seinen Kunden eine einfache Möglichkeit der Feinjustierung der Werkzeugturmhöhe bieten. Es soll daher ein nutzbares hydraulisches Gelenk konstruiert werden, welches mit einem Druck von 100 oder 200 bar einen Hub von 100 μm realisiert und mindestens eine Auflösung von 0,1 μm hat. Hierfür müssen die Störgrößen betrachtet werden und die Konstruktion in einer Testmaschine verbaut werden. Das Gelenk soll in bereits gebauten IL300 integrierbar sein.
Mithilfe von ANSYS-Simulationen wurde die optimale Geometrie des Gelenks ermittelt und anschließend mit Solid Edge, als Werkzeugturm für dieIL300 CNC-Maschine konstruiert. Hierzu wurde das Temperaturverhalten, die Luftvolumen im Öl, das Setzverhalten, die Steifigkeit, die Dauerfestigkeit, das Befüllen des Systems, eine einfache Montage, die Rahmenbedingungen in der Maschine und die Druckerzeugung betrachtet. Anschließend wurde das System in einer Testmaschine verbaut, getestet und letztendlich revisioniert.
Es wurde eine funktionsfähige Höheneinstellung konstruiert und getestet. Dadurch konnte die vorherige Feineinstellung der Firma Wohlhaupter ersetzt werden.
Entwicklung eines Pulveraufbereitungsmoduls für LPBF Anlagen mit kurzen Pulverwechselzyklen
Nicolas Jacobs, Masterarbeit (Juni 2022)
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein neues Pulvermodul für SLM Maschinen zu entwickeln. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf der Auslegung sowie der Grob- und Feingestaltung des Moduls, um einen serienreifen Konstruktionsstand zu erreichen. Funktional soll das Modul im wesentlichen Pulver speichern, aufbereiten (Sieben), der Maschine zuführen sowie einen schnellen und unkomplizierten Pulverwechsel ermöglichen. Die Serienreife Konstruktion soll sich dabei insbesondere durch eine sehr hohe Robustheit und Bedienerfreundlichkeit auszeichnen.
Die Konzeptionierung und Konstruktion werden von Innen nach Außen durchgeführt. Angefangen mit der Anordnung des Siebes und der Tanks, sowie den Schnittstellen zur Basismaschine über die Überlaufschächte und dem Pulverzuführkoffer hin zu den elektrischen, pneumatischen und Transportstromförderungstechnischen Schnittstellen. Das Modul muss dabei von den Abmaßen und dem Design an die Basismaschine angepasst, bedienerfreundlich und robust ausgelegt sein, auch mit der Bedingung, dass ganze Modul flexibel jederzeit auszutauschen, um einen schnellen Pulverwechsel zu ermöglichen.
Mithilfe des austauschbaren Pulveraufbereitungsmoduls kann eine LPBF Anlage sehr flexibel je nach Materialanforderungen der zu fertigenden Bauteile schnell umgerüstet werden und so die Produktivität erhöhen. Dies kann durch nur einen Bediener innerhalb von weniger als 2 Stunden realisiert werden. Hierbei bleiben die Pulvermodule stets mit nur einem Material ausgerüstet und das komplette Pulvermanagement der Anlage wird ausgetauscht, um Kreuzkontaminierungen zu vermeiden .
Entwicklung einer Fertigungsstrategie zum Minimieren der Eigenspannungen additiv gefertigter Edelstahlbauteile
Patrick Mundt, Bachelorarbeit (April 2022)
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Fertigungsstrategie, die den Schweißverzug von Laser Powder Bed Fusion (LPBF) gefertigten Edelstahlbauteilen minimiert, um das Verschweißen dieser Bauteile industrietauglich zu machen. Der LPBF Prozess soll dahingehend optimiert werden, dass sich Bauteile mit minimierten Eigenspannungen bei gleichzeitig hoher relativer Dichte Erzeugen lassen. Außerdem soll ein mechanisierter Wolfram Inertgas (WIG) Schweißprozess entwickelt werden, der hohe Nahtqualitäten mit schmaler Wärmeeinflusszone (WEZ) erzeugt.
Aufbauend auf einer ausführlichen Literaturrecherche werden Konzepte entwickelt, mit denen sich die Eigenspannungen der LPBF Bauteile minimieren oder umorientieren lassen. Der Einfluss der Konzepte auf die relative Dichte der Bauteile wird anhand von Dichtewürfeln analysiert. Die Auswertung der Eigenspannungen erfolgt in einem separaten Projekt. Der mechanisierte Schweißprozess wird iterativ entwickelt und anschließend durch Sichtprüfung, Vermessung der WEZ, Schliffbilder und Makroätzungen bewertet.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten wichtige Erkenntnisse zum Erzeugen hoher relativer Dichten erlangt werden. Außerdem konnte ein mechanisierter Schweißprozess entwickelt werden, der hohe Nahtqualitäten erzeugt und eine geringere WEZ aufweist, als ein händischer Schweißprozess. Da die betrachteten Elemente dieser Arbeit nahezu die gesamte Prozesskette abdecken, konnte außerdem durch eine ausführliche Literaturrecherche und die erzielten Ergebnisse eine Handlungsempfehlung für weitere Untersuchungen abgegeben werden.
Konstruktion und Aufbau einer Innenbeschichtungseinheit für schwer zugängliche Stellen für das Laserauftragschweißen
Jonas Abels, Masterarbeit (März 2022)
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Konstruktion und Fertigung einer Innenbeschichtungseinheit zum Laserauftragschweißen, mit der eine Instandsetzung von dem sogenannten „Rear Bearing Support Structure“ (RBSS), welches ein Bauteil aus einer Triebwerksreihe der Firma Rolls Royce ist, durchgeführt und zertifiziert werden kann. Der zu reparierende Bereich, eine Wandung zwischen einem Luftdurchlasskanal und einem Ölkanal, wurde bei der Herstellung zu dünn gefertigt, weshalb die Bauteile nicht genutzt werden können.
Auf Grundlage von Untersuchungen zur prinzipiellen Machbarkeit des Materialauftrags in der Kavität wird ein Prototyp aufgebaut, mit dem zunächst auf Flachproben grundlegende Beschichtungsversuche durchgeführt werden. Im Anschluss werden Versuche in der Kavität durchgeführt. Die Erkenntnisse aus diesen Beschichtungsversuchen werden genutzt, um die Innenbeschichtungsoptik zu entwickeln. In einem letzten Schritt wird die Optik gefertigt, montiert und getestet.
In dieser Arbeit wurde eine Innenbeschichtungseinheit entwickelt und konstruiert und mithilfe von „Laser Powder Bed Fusion“ hergestellt. In Beschichtungsversuchen konnte gezeigt werden, dass die montierte Optik mit der Innenbeschichtungseinheit die Reparatur der RBSS-Bauteile ermöglicht. In Versuchen wurde die benötigte Wandstärke zwischen den Kanälen hergestellt. Die reparierten Bauteile konnten im Anschluss zertifiziert werden.
Abschlussarbeiten 2021
SLS von Kunststoffen: Möglichkeiten & Grenzen von Low-Cost-Anlagen nach Anwendung des Laserpolierens
Marco Skupin, Masterarbeit (Juni 2021)
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Möglichkeiten und Grenzen von Benchtop-Anlagen gegenüber industriellen Anlagen im Bereich des selektiven Lasersinterns (SLS). Darüber hinaus soll mithilfe dieser Arbeit untersucht werden, ob und in wie fern eine Oberflächenverbesserung mithilfe des Laserpolierens möglich ist. Die Fragestellung, ob die Kombination von Low-Cost-Anlage mit dem anchließendem Laserpolieren eine ernsthafte Alternatie für den Einstieg in die additive Fertigung darstellt, soll ebenfalls untersucht werden.
Für den Anlagenvergleich wird die Benchtop-Anlage „Lisa Pro“ der Firma Sinterit mit einer industriellen Anlage „eos FORMIGA P110“ der Firma eos verglichen. Hierfür wurde eine Methodik entwickelt, die einen Vergleich hinsichtlich der Geometriegenauigkeiten, mechanischen Eigenschaften, Oberflächengüten und einem wirtschaftlichen Vergleich durchgeführt und bewertet. Die Laserpolitur der SLS-gedruckten Bauteile erfolgte mithilfe einer Temperatur geregelten Quasi-Top-Hat-Strategie (QTH).
Mithilfe dieser Arbeit konnten die derzeitigen Möglichkeiten & Grenzen von Bench-Top-Anlagen untersucht werden. Am Beispiel der Lisa Pro konnte gezeigt werdem, dass Benchtop-Anlagen nach derzeitigem Stand keinen vollständigen Ersatz zu industriellen anlagen darstellen. Durch die wesentlich günstigeren Investitionskosten und unter Berücksichtigung der ararbeiteten Grenzen stellen sie jedoch eine attraktive Alternative in den Einstieg des selektiven Lasersinterns dar. Bei der Laserpolitur konnten signifikante Oberflächenverbesserungen untersucht werden sowie die nächsten zu untersuchtenden Ounkte abgeleitet werden.