Proceedings of the 17th Rapid.Tech 3D Conference Erfurt, Germany, 22–23 June 2021

In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung mit anschließender Fällung zur Herstellung von Polyamid 11 (PA11)-, Polyoxymethylen (POM)-sowie L-Polylactid (PLLA)-Strahlschmelzpulvern zum Einsatz im pulverbettbasierten Schmelzen von Polymeren (PBF-LB/P, „Laser-Sintern“ (LS)) aufgezeigt. In diesem Fällungsprozess wird das Polymer bei erhöhter Temperatur in einem moderaten Lösemittel unter Nutzung eines Rührautoklaven gelöst; die Keimbildung und das Partikelwachstum werden durch Temperaturerniedrigung ausgelöst. Der Einfluss wesentlicher Prozessparameter der Fällung, u.a. Systemzusammensetzung, Rührbedingungen, Temperatur(-profil), auf die resultierenden Produkteigenschaften wird diskutiert. Weiterhin wird die Kinetik der Keimbildung bzw. des Partikelwachstums betrachtet. Die Pulver werden den Anforderungen des PBF-LB/P-Prozesses entsprechend hinsichtlich ihrer Partikel- und Schüttguteigenschaften, sowie struktureller und thermischer Eigenschaften umfassend charakterisiert. Schließlich wird die Prozessierbarkeit der erhaltenen Pulver durch Fertigung von Probekörpern bewertet.

Beim Selektiven Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen vermindern hohe Prozesstemperaturen in Verbindung mit langen Verarbeitungszeiten und mechanischen Spannungen beim Pulverauftrag die Fließfähigkeit des nicht aufgeschmolzenen, als Stützstruktur dienenden Polyamid 12-Werkstoff. Dieser Rückgang kann durch Auffrischen mit Neupulver oder die Zugabe von Fließhilfsmitteln kompensiert werden.

In der vorliegenden Studie wird der Einfluss hydrophober pyrogener Kieselsäure als fließverbesserndes Additiv auf die Eigenschaften eingesetzter Pulver, deren Verarbeitbarkeit und resultierende Bauteileigenschaften untersucht. Eine geeignete Additivkonzentration zur Auffrischung wird durch die thermischen und schüttguttechnologischen Eigenschaften der verwendeten Pulver definiert. Die isotherme Kristallisationskinetik des Polymermaterials wird bei prozessnahen Temperaturen untersucht und dessen Schüttguteigenschaften werden durch Messung der Schüttdichte und des inneren Reibungswinkels der Pulver unter stationären Scherbedingungen in einem angepassten Rheometeraufbau bestimmt. Des Weiteren werden Dichte, Porosität und mechanische Eigenschaften von Bauteilen, die aus neuem, gebrauchtem und aufgefrischtem Pulver hergestellt wurden, charakterisiert.

Eine Erhöhung der Schüttdichte, der Pulver-Fließfähigkeit und der isothermen Kristallisationsgeschwindigkeit kann innerhalb der untersuchten Additivkonzentrationen nachgewiesen werden. Durch die Verwendung von aufgefrischtem Pulver steigt die Bauteildichte, wohingegen die Maßhaltigkeit abnimmt. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie können Auffrischraten durch den Einsatz von fließverbessernden Additiven reduziert werden.

Die eingeschränkte Materialvielfalt des Laser-Sinterns nimmt mit Polypropylen zu und erweitert die technischen Anwendungsbereiche. Ähnlich wie beim überwiegend im Laser-Sintern eingesetzten Polyamid 12 ist die Oberflächentopologie bei Polypropylen Bauteilen oftmals nicht ausreichend, da für technische Anwendungen zunehmend Oberflächenrauheiten auf Spritzgussniveau erforderlich sind. Neben der Reduzierung der Oberflächenrauheit durch chemische und mechanische Nachbehandlung besteht ein Bedarf an der Optimierung der mechanischen Eigenschaften. Nach dem heutigen Stand der Technik werden die laser-gesinterten Proben nach der Entnahme aus dem Pulverkuchen durch mechanisch-abrasives Strahlen gereinigt, woraus keine signifikante Reduktion der Rauheit resultiert. Hieran anschließend können weitere im Bereich der subtraktiven Nachbehandlung chemische und mechanische Nachbehandlungsschritte folgen. In den vorliegenden Untersuchungen werden für die chemische Nachbehandlung Polypropylen-Proben in 100 °C warmes Toluol für variierte Verweildauern eingetaucht. Hieraus ergibt sich eine erhebliche Reduktion der Rauheit bei konstanten Bauteilabmaßen. Durch die Variation der Parameter bei der mechanischen Nachbehandlung mittels Gleitschleifen wird die Oberflächenrauheit nicht beeinflusst. Die mechanischen Eigenschaften, wie die Zugfestigkeit und das E-Modul zeigen unabhängig vom gewählten Nachbehandlungsverfahren keine Veränderung. Die Bruchdehnung steigt mit der Eintauchzeit bei der chemischen Nachbehandlung deutlich an, wohingegen die mechanische Nachbearbeitung keinen Einfluss besitzt.

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen eine Steigerung der Ressourceneffizienz gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren durch die Realisierung topologisch optimierter Geometrien. Für deren Auslegung ist die Kenntnis der werkstoff- und verfahrensspezifischen mechanischen Eigenschaften essenziell. In dieser Studie wurden die mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Aufbaurichtung anhand von Mikrozugproben aus rostfreiem 17-4 PH Stahl untersucht, welche mittels Binder Jet Additive Manufacturing (BJAM) gefertigt wurden. Sowohl im gesinterten (AS, as-sintered) als auch im wärmebehandelten Zustand (H900) liegen die Unterschiede in Zugfestigkeit (Rm) und Streckgrenze (Rp0,2) zwischen den Aufbaurichtungen x, y und z im Bereich < 5 %, wobei die vertikale Aufbaurichtung (z) tendenziell die schwächste darstellt. Die Zugfestigkeiten liegen bei Rm= 978 MPa (AS) bzw. Rm= 1295 MPa (H900). Auch hinsichtlich der Bruchdehnung (A) überschreiten die horizontal gebauten Proben (x, y) mit max. 21,8 % die Werte der vertikal gebauten Proben mit max. 19,2 % geringfügig. Metallografische Analysen weisen die linienförmig angeordnete Porosität als mögliche Ursache für die Unterschiede aus. Der Vergleich der Mikrozugproben mit zum Vergleich gefertigten Norm-Proben zeigt jedoch insbesondere bei der Bruchdehnung einen deutlichen Unterschied. Dieser wird auf den reduzierten Oxidgehalt der Mikrozugproben zurückgeführt, welcher durch verbesserte Reduktion mittels H2 oder C während des Sinterns in dem geringeren Querschnitt zustande kommt.

Seit einigen Jahren ist die Bedeutung der Gasströmung in PBF-LB/M Anlagen für die Reproduzierbarkeit und Robustheit von Prozess und Bauteilqualität bekannt und trägt damit durch die Reduktion von Ausschuss-Bauteilen zur Nachhaltigkeit dieser AM-Technologie bei. In aktuellen Multilaser Full-field Anlagen gewinnt dieser Aspekt aufgrund der Wechselwirkung zwischen mehrfachen Laserstrahlen und Schmauchfahnen deutlich an Relevanz. Derzeit wird die Qualität und Wirksamkeit der Gasströmung sowie die geeignete Multilaser-Prozessführung i.A. durch wiederholten Aufbau und Analyse zahlreicher Probekörper durchgeführt. Zur Reduktion dieses Aufwands ist ein grundlegendes Verständnis der Auswirkung der Laserstrahl-Schmauch Interaktion auf die Laserstrahleigenschaften und deren Messung zur Quantifizierung der Auswirkung hilfreich. Dazu wird die online Laserstrahldiagnose während des Prozesses bei Interaktion des Laserstrahls mit Schmauchfahnen vorgestellt. Darüber hinaus wird die Wirksamkeit der Gasströmung zur Schmauchabfuhr über die Messung der Feinstaubkonzentration in der Prozesskammeratmosphäre während des Prozesses bewertet.

Für die erfolgreiche Herstellung von additiv gefertigten Komponenten sind Stützstrukturen vor allem notwendig, um das Absinken der Schmelze bei Überhängen zu verhindern, das zu fertigende Bauteil auf der Bauplattform zu fixieren und Eigenspannungen zu reduzieren. Da Stützstrukturen jedoch nicht zum funktionalen Bauteil gehören, ist ein ressourceneffizienter Einsatz dieser essentiell. Dafür müssen sie in ihrem Volumen reduziert werden, ohne dass sie in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Es werden unterschiedliche Ansätze zur Erreichung dieses Ziels verfolgt, wobei insbesondere die computergestützte Entwicklung neuartiger Stützstrukturen großes Potenzial bietet. Hierbei ist es wichtig, physikalische Grenzen wie den maximalen Abstand zwischen zwei Anbindungsstellen einer Stützstruktur zum Bauteil zu kennen. Diese wird in der vorliegenden Studie für zylindrische Stützstrukturen aus Ti6Al4V experimentell bestimmt. Dabei werden der Strukturdurchmesser, der Strukturabstand, der Überhangwinkel sowie die Prozessparameter als Einflussfaktoren einbezogen. Optische Vermessungen geben Aufschluss über Maßhaltigkeit und Porosität der Probekörper und somit über die Stützstruktureigenschaften. Aus den empirischen Daten wird eine Design-Richtlinie in Form einer Prozesskarte abgeleitet, welche dem Anwender geeignete Kombinationen aufzeigt, welche später auch in Form von numerischen Regeln in die computergestützte Erzeugung von Stützstrukturen eingebunden werden kann.

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit Hilfe von künstlicher Intelligenz ungeplante Ausfälle metallbasierter additiver Fertigungssysteme (PBF-LB/M-Systeme, Engl.: Laser-based powder bed fusion of metals) zu Beginn der Produktionsphase vorhergesagt werden können und zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Die wirtschaftlichen Auswirkungen wurden durch ein neues Kostenmodell zusammengefasst und in einem Analytics-Projekt nach der CRISP-DM-Vorgehensweise angewandt. Als Grundlage dienten umfassende Datenbestände mehrerer tausend Baujobs von PBF-LB/M-Systemen, die Metallbauteile aus stark diversifizierten Industriebereichen gefertigt haben. Im Rahmen eines Modellvergleiches wurde die beste Prognosegüte mit dem „Gradient Boosted Tree“-Modell identifiziert und anschließend mit XGBoost optimiert. Dies führte zu einer exzellenten Prognosequalität in den ersten 3-6 Stunden der Produktionsphase. Auf dieser Grundlage konnten Kosteneinsparungen von 10-40 % nachgewiesen werden. Mithilfe von SHAP-Visualisierungen ist der Entscheidungsprozess des Black-Box-Modells nachvollziehbar. Der notwendige Datenaustausch zwischen allen Teilnehmern der additiven Wertschöpfungskette zur Realisierung solcher Analytics-Projekte kann weitere Wettbewerbsvorteile erzeugen und damit der additiven Fertigung den Weg zur industriellen Massenproduktion ebnen.

Mit der zunehmenden industriellen Nutzung von additiven Fertigungstechnologien wird die Qualitätssicherung wie auch der ressourceneffiziente Einsatz immer bedeutender. Gerade zur Steigerung der Konkurrenzfähigkeit zu den konventionellen Fertigungsmethoden werden Fertigungsgeschwindigkeit, Losgröße und Qualität verbessert. Der Indikator sind neben der Produktionszeit die Kosten pro Bauteil. Nur am Rande betrachtet wird die Ressourceneffizienz in der additiven Fertigung, obwohl diese neue Technologie ein großes Potential bietet. In der folgenden Untersuchung werden Zugproben in unterschiedlichen Orientierungen und Normungen auf die Zugfestigkeit getestet und der resultierende Ressourcenverbrauch analysiert. Die Ergebnisse der Zugfestigkeit spiegeln die Vorgaben der Materialhersteller wider und bieten wiederum Potenzial für weitere werkstoffspezifische Untersuchungen. Die Analyse der Orientierung zeigt, dass besonders aufrecht stehend gedruckte Normproben (in vertikale Z-Richtung) eine hohe Genauigkeit und konstante Zugfestigkeit aufweisen. Die Analyse der Ressourcen zeigt im Fall der AM400 eine hohe Abhängigkeit von der Prozesszeit. Optimierungen sind daher insbesondere auf die Druckdauer anzuwenden. Weiterhin führt die Untersuchung zu dem Ergebnis, dass die Beheizung bei 316l keinen signifikanten Einfluss auf die Zugfestigkeit hat und der erhöhte Energieverbrauch eingespart werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits bei der Konstruktion und Planung energetische Optimierungen durch die Orientierung, Packungsdichte und Prozesszeit erzielt werden können. Diese Ergebnisse stellen ein Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen mit Bezug zur Ressourceneffizienz dar. Ein langfristiges Ziel ist die Optimierung und Vorhersage des Ressourcenbedarfs bei der additiven Fertigung im Hinblick auf den vollständigen Produktlebenszyklus.

Innovative biobasierte Materialien und neue Fertigungstechnologien können einen wesentlichen Beitrag zur Ressourcenschonung leisten. Ein solcher Weg kann durch die Anpassung der Additiven Fertigungsverfahren für den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen bzw. Reststoffen beschritten werden. Für diese Materialien haben wir uns entschieden, eine Upcycling-Strategie zu entwickeln und gleichzeitig ihre individuellen Eigenschaften zu nutzen. Dieser Artikel beschreibt den Druck mittels Binder Jetting (3D-Druck, 3DP) von zerkleinerten Pfirsichkernen mit verschiedenen wasserlöslichen Bindemitteln, wie Polyvinyl-alkohol (PVA), Zucker, Mehl und Ligninsulfonat. Nach der Materialaufbereitung (Vorzerkleinerung, Abtrennen der Kerne und Aufmahlen) wird das druckfähige Pulver analysiert und mit dem Bindemittel vermischt. Teile, die aus solchen Materialien hergestellt werden, haben eine hohe Zersetzungsrate, die in Stunden gemessen wird, wenn sie Wasser ausgesetzt werden. Dies macht sie ideal für Anwendungen wie spezifische Einwegverpackungen oder kurzlebige Produkte. Um stabile Teile zu erhalten, wurden verschiedene Pfirsich-Binder-Konzentrationen untersucht. Dichten, Zersetzungsrate und Festigkeiten wurden an Probekörpern gemessen. So konnten durch gezielte Anpassung der Parameter akzeptable Druckergebnisse erzielt werden. Um die Festigkeiten der gedruckten Körper weiter zu erhöhen, sollen künftig spezielle Beschichtungen untersucht werden.

Im Rahmen des vorliegenden Wissenschaftsbeitrags wird eine Methode zur systematischen Bewertung der materialspezifischen humantoxischen Gefährdung bei der Anwendung additiver Fertigungsverfahren entwickelt. Dafür werden einerseits die Bestandteile des Materials hinsichtlich der zugeordneten Gefahrenhinweise (sog. H-Sätze) und andererseits die Materialhandhabung und die Schutzvorkehrungen pro Prozess bewertet. Anschließend wird die Methode bei den additiven Fertigungsverfahren Materialextrusion und Laserstrahlschmelzen anhand je drei Materialien und zwei Fertigungsanlagen validiert. Dabei zeigt sich, dass die größte humantoxische Gefährdung für den Prozess der Anlagenvorbereitung beim Laserstrahlschmelzen auftritt. Im Vergleich dazu fällt die humantoxische Gefährdung bei der Materialextrusion signifikant geringer aus.

Die Additive Fertigung (AM) befindet sich an einem Wendepunkt zur Industrialisierung und Automatisierung. Aufgrund der immer kürzer werdenden Produktentstehungszeit in der Automobilindustrie steigt der Bedarf an einer flexiblen Produktion und damit einhergehend auch der Bedarf an der Herstellung größerer Stückzahlen von Prototypenbauteilen. Daher wächst das Bestreben, die AM Technologien und deren Prozesskette, die den Weg zur Serie entscheidend abkürzen, weiter zu optimieren und deren Effizienz zu steigern. Die derzeitige Identifikation von AM-Bauteilen am Ende der Gesamtprozesskette stellt einen nicht skalierbaren und kostenintensiven manuellen Vorgang dar. Die Vielfalt an Geometrien im Prototypenbereich führt zu komplexen Herausforderungen, bei denen bestehende Automatisierungslösungen nicht implementiert werden können. Eine KI-basierte Bilderkennung kann hierbei eine Verbesserung der Situation sein. Eine Analyse hinsichtlich Komplexität, Funktionsweise und Einsatz soll Aufschluss über die Wirtschaftlichkeit der automatischen Identifikation von Prototypenbauteilen geben.

Additive Manufacturing (AM) ist eine sich schnell entwickelnde Produktionstechnologie. Im letzten Jahrzehnt hat sie sich von einer Prototyping-Technologie zu einer industriell anerkannten Produktionstechnologie entwickelt. Mit den damit einhergehenden Veränderungen der Produktionsprozesse entstehen neue Herausforderungen. Im Gegensatz zu traditionellen Herstellungsmethoden hat AM einige Einschränkungen, wenn es darum geht, konkrete Designregeln festzulegen, welche Geometrien hergestellt werden können und welche nicht. Um die Herstellbarkeit von 3D-Modellen dennoch beurteilen zu können, sehen wir großes Potential in der Anwendung modernster Methoden des maschinellen Lernens (ML). Anstatt zu versuchen, komplexe mathematische Konstruktionsregeln von Hand zu entwerfen, verwenden wir ein 3D-Convolutional Neural Network (CNN) für die Bewertung der Herstellbarkeit von 3D-Modellen. Das 3D-CNN kann von bestehenden 3D-Modellen lernen, die bereits in Bezug auf ihre Produzier-barkeit bewertet wurden, wodurch die manuelle Erstellung von Regeln umgangen werden kann.

Der Anstieg des Produktionsvolumens in der additiven Fertigung in den letzten Jahren führte neben einem erhöhten Produktivitätsniveau während des Bauvorgangs ebenfalls zu einer Optimierung im Bereich technologiebezogener Prozessketten. Die vergleichsweise neue, im Jahr 2014 in eine scheinbar stagnierende Szene der industriellen, pulverbasierten Additiven Fertigung eingetretene Technologie Multi-Jet Fusion stellte sich aufgrund der schnellen Druckzeit als idealer Kandidat für die Optimierung des Post-Processings mit Methoden des maschinellen Lernens heraus. 66 % der Dauer des Verfahrens besteht aus dem Schritt des Abkühlprozesses. Dieser Abkühlprozess dauert in Abhängigkeit der Bauhöhe zwischen 3 und 30 Stunden. Während bei der Verarbeitung von teilkristallinen Polymeren, wie beispielsweise Polyamiden, eine zu schnelle Abkühlung aufgrund von Grenzwerten nicht in Frage kommt, ist für die Prozesssicherheit eine genaue Kenntnis der notwendigen Abkühlzeit entscheidend. In dieser Studie wurde ein Modell auf Basis von Algorithmen im Bereich des maschinellen Lernens erstellt, um eine deutlich genauere Vorhersage der Abkühlzeit unter Verwendung einer Reihe von Baujob-Parametern zu ermöglichen. Das optimierte Abkühlmodell wurde mit den gemessenen Abkühlzeiten verschiedener Baujobs und zugehörigen Parametern wie beispielsweise der Anzahl der Schichten, der Packungsdichte, der Anzahl der Bauteile und Raumtemperatur als Eingaben trainiert. Das Modell ist in der Lage, deutlich genauere Abkühlzeiten als die Herstellerprognosen vorherzusagen. Zusätzlich zeigte sich, dass eine erhöhte Anzahl von Daten zu genaueren Vorhersagen führt. Die Implementierung des optimierten Abkühlmodells in der AM-Produktionsanlage von BMW führt zu einer erhöhten Transparenz, einer schlankeren Produktion und einer höheren Gesamtwirtschaftlichkeit in der pulverbasierten Additiven Fertigung.

Die additive Fertigung im Bauwesen ist ein schnell wachsender Bereich der Forschung und Entwicklung an der Schwelle zur praktischen Anwendung. Zahlreiche Lösungen mit einer Vielzahl von Materialien in verschiedenen Prozessen wurden bereits vorgeschlagen. Doch obwohl die Verwendung von Holz in solchen Prozessen die Chance eröffnet, einen nachwachsenden Rohstoff einzusetzen und die Materialkosten zu senken, sind Beispiele für diesen Ansatz rar. In diesem Beitrag werden die grundsätzlichen Möglichkeiten des Einsatzes von Holz in der additiven Fertigung skizziert und einzelne Prozesse, die in Hinblick auf den großen Maßstab und auf eine Anwendung im Bauwesen entwickelt wurden, vorgestellt.

Beim Lasersintern von Kunststoffen hängen die Bauteileigenschaften maßgeblich von der Belichtungsstrategie ab. Insbesondere die räumliche Orientierung, die Ausdehnung der Scanvektoren und deren zeitliche Abfolge beeinflussen die thermischen Überlagerungsvorgänge wesentlich. Durch Verwendung der mäanderförmigen Standardbelichtungsstrategie resultiert bei konstanten Belichtungsparametern auf Schicht- und Bauteilebene eine Geometrieabhängigkeit der räumlich inhomogenen Temperaturfelder. Diese verhindert bis dato das Erreichen einer hohen Reproduzierbarkeit von Bauteileigenschaften mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien. Im Rahmen dieses Beitrags stellen die Autoren die Verwendung von fraktalen Belichtungsstrategien, basierend auf der raumfüllenden Peano-Kurve vor und zeigen, dass durch selbstähnliche Belichtungsstrategien die Erzeugung räumlich homogener, geometrieinvarianter Temperaturverläufe möglich ist. Die Implementierung der Peano-Strategie in den Lasersinterprozess wird unter thermographischer Analyse bei paralleler Durchführung einer Prozessparametervariation hinsichtlich der Fertigung von Einzelschichten realisiert. Die Charakterisierung der Einzelschichten verdeutlicht die strukturelle Abhängigkeit der Bauteileigenschaften von der Belichtungsstrategie sowie die komplexen Wechselwirkungen der Belichtungsstrategie und der Prozessparameter. Die Ergebnisse tragen zur Erweiterung des Verständnisses zum Einfluss der Belichtungsstrategie auf den Lasersinterprozess bei und bieten die Grundlage für weitere vielversprechende Anpassungen zur Erweiterung des thermischen Prozessfensters im Rahmen einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Herstellung lasergesinterter Bauteile.

Gedruckte Lichtleiter für Beleuchtungszwecke stellen ein neues, automobiles Anwendungsfeld für die additive Fertigung dar. Zum einen entsteht durch eine schnelle und kostengünstige Bereitstellung von Funktionsprototypen ein großer Mehrwert im Produktentstehungsprozess. Zum anderen ermöglichen die Freiheitsgrade der additiven Fertigung die Realisierung lichttechnischer Innovationen, die in einer konventionellen Herstellung limitiert wären. Zur Erschließung dieser Anwendungen werden sehr hohe Ansprüche an die Oberflächengüte der gedruckten Bauteile gestellt. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, wird in diesem Beitrag die Suche nach einem geeigneten Nachbehandlungsprozess zur Realisierung der gewünschten Oberfläche thematisiert. Das hierbei betrachtete additive Verfahren ist das Poly Jet Modelling, da sich dies in besonderer Weise für die Anwendung von gedruckten Lichtleitern qualifiziert. Dabei wird zunächst dargelegt, welche Oberflächentopographien nach dem Druck vorliegen. Zur Identifikation eines geeigneten Nachbehandlungsprozesses werden Probekörper mit verschieden Verfahrensvarianten nachbehandelt. Anschließend werden die behandelten Proben mittels der konfokalen Mikroskopie genauer untersucht, um sich einstellende Oberflächentopographien ohne Tiefenunschärfe und in hoher Auflösung zu erfassen. Auf Basis dieser Oberflächentopographien werden die jeweiligen Verfahrensvarianten hinsichtlich ihres Einsatzpotentials für vorliegende Anwendung bewertet und es werden die entsprechenden flächenbasierten Kennwerte zur Quantifizierung der Oberfläche ausgewiesen. Zur Identifikation eines geeigneten Nachbehandlungsprozesses werden darauf aufbauend schließlich bestimmte Kombinationen der Verfahrensvarianten vorgestellt. Final wird ein geeigneter Nachbehandlungsprozess abgeleitet.

Das Ziel des Forschungsvorhabens „4-Achs-FLM-Verfahren“ ist es eine Fertigungsanlage und den zugehörigen Bauprozess zu entwickeln, um sowohl rotationssymmetrische als auch -asymmetrische Bauteile mittels extrusionsbasierter Additiver Fertigung (extrusion based addtive manufacturing - EAM) zu generieren. Hierbei sollen sowohl thermoplastische als auch merhkomponentige reaktive Materialien verarbeitet werden können.

EAM (also MEX /FLM /FFF /FDM®) erfolgt klassisch zweieinhalbdimensional durch z-konstante Fertigung einzelner xy-Bauteilschichten. Hierbei werden meist thermoplastische Filamente aus Polymilchsäure (PLA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und andere Standard-Thermoplaste verarbeitet.

Zur Entwicklung des reaktiven Bauprozesses wird eine low-cost-EAM-Anlage 3Gence One um eine Zweikomponenten-Flüssigdosierpumpe erweitert. Die Steuerung auf Basis einer Repetier-Firmware wird vom Hersteller so angepasst, dass die Austragsmenge der Komponenten A und B im Verhältnis 1:1 bis 1:10 variiert werden kann Die Exzenterschneckenpumpe ViscoDUO-FDD 4/4 eignet sich durch Ihre Bauweise zur scherarmen Förderung hochviskoser Medien. Das gewählte Zweikomponenten-Polyurethan-System ADEKIT 236-25 soll so verarbeitet werden, dass auch ein Materialauftrag ohne zusätzliche Aktivierung zur Generierung formstabiler Bauteile führt.

Die Charakterisierung der erhaltenen Prüfkörper mittels Zugprüfung und Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FT-IR) zeigt, dass es mit dem entwickelten reaktiven EAM möglich ist nahezu isotrope Bauteileigenschaften zu generieren. Die mechanischen Kennwerte sind quantitativ vergleichbar zum Materialdatenballt und auch eine Überprüfung des Vernetzungsgrades mittels FT-IR validiert die Funktionsweise des Zweikomponenten EAM-Systems.

Die Verwendung von kostengünstigem und wenig fließfähigem Pulver, aber auch der Auftrag von Multimaterial-Pulverschichten in der Additiven Fertigung erfordert ein Umdenken bei den Mechanismen des Pulverauftrags. Die Elektrofotographie bietet ein großes Potenzial für das Aufbringen von Pulverschichten für das Laser-Strahlschmelzen (LBM). Die vorliegende Arbeit adressiert die optischen, lichtbezogenen Phänomene, welche durch eine Umgebungsbeleuchtung in einer Additiven Fertigungsanlage auftreten können. Diese können zu einer gezielten Entladung führen oder den Ladungserhalt am Fotoleiter begünstigen. Experimentelle Untersuchungen konzentrieren sich auf die frühe Prozessphase der Aufladung eines Fotoleiters im Kontext der Elektrofotografie. Dazu wurde ein Prototyp entworfen und eine Versuchsumgebung zur definierten Beleuchtung geschaffen. Die Erkenntnisse werden genutzt, um Chancen und Risiken für die nachfolgenden Prozessschritte und die Übertragung des Mechanismus in eine LBM-Anlage zu identifizieren sowie Randbedingungen abzuleiten.

Die konventionelle Materialextrusion (MEX) erzeugt in Abhängigkeit der Füllstrategie und der 2,5D Fertigung eine Anisotropie im Bauteil.

Aus dem Bereich des Kunststoffschweißens sind die Einflussgrößen Druck, Zeit und Temperatur bekannt. Zeit und Temperatur werden in der additiven Bauteilfertigung bereits berücksichtigt. Der Druck kann im Prozess nicht direkt eingestellt werden und wird bisher nicht berücksichtigt.

Durch eine neue Fertigungsstrategie soll eine Steigerung des Fügedrucks innerhalb der Schicht erreicht werden, um die Verbindung zwischen den Strängen zu verbessern. Dabei werden zwei Stränge mit dem Abstand einer Strangbreite voneinander abgelegt. Anschließend wird der Zwischenraum zwischen den beiden Strängen mit einem weiteren Strang gefüllt. Dieser Strang wird durch die beiden benachbarten Stränge, der unteren Schicht und der Düse begrenzt. Messungen zeigen einen erhöhten Fügedruck.

Selective Laser Melting produces parts by melting metal powder material with a laser beam. The temperature of its laser induced melt pool is one of the main variables to establish a proper welding process. The melt pool temperature is dependent on the balance between its energy input and output. Today’s process control keeps the energy input nearly stabile, as it distinguishes only a few different parameter-sets, such as hatch or contour parameters. However, the energy output changes permanently because of the heat-conduction-capacity of the already produced part. Consequently, the energy output of the melt pool is hardly considered, and the melt pool temperature varies constantly. Therefore, the dynamic-process-control has been developed with the aim to stabilize the melt pool temperature. This takes the heat-conduction-capacity as a ratio of the energy output into account, which applies to the melt pool at a certain location on its scan track. Based on the heat-conduction-capacity, the energy input is varied as a function of the heat-conduction-capacity to stabilize the energy balance and consequently the melt pool temperature. This work presents the proceeding of the parameter development, the practical transformation on an example geometry and rates the potential of the dynamic-process-control approach.

Die Integration elektronischer Strukturen in der additiven Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dabei eröffnet das direkte Einbringen elektronischer Strukturen in den schichtweisen Aufbauprozess additiv gefertigter Bauteile ein großes Anwendungsgebiet in vielen Industriezweigen. Bei der Betrachtung aktueller Verfahren steht vor allem die Reduzierung der Prozessdauer im Vordergrund. Diese Herausforderung ist durch die bei leitfähigen Strukturen oft notwendige thermische Nachbehandlung und den damit in Verbindung stehenden Prozessschritten jedoch nur schwer zu realisieren. In Anbetracht dessen hat ein Team der Technischen Hochschule Köln eine Lösung entwickelt, welche die thermische Nachbehandlung und die additive Fertigung vereint. Ein elektrisch leitfähiger Klebstoff auf Mikropartikel-Basis wird in den additiven Aufbauprozess eines Kunststoffbauteils integriert. Die im Aufbauprozess erzeugte Wärme wird über den Kontakt zwischen dem Klebstoff sowie dem zuvor applizierten, erhitzten Kunststoff übertragen. Dabei härtet der Klebstoff aus und die darin enthaltenen Silberpartikel werden gebunden. Es entsteht eine elektrisch leitfähige Struktur innerhalb eines Bauteils aus einem nichtleitenden Material.

Moderne additive Fertigungsverfahren erlauben eine extreme Komplexität in Bezug auf die Geometrie der gebauten Bauteile. Aufgrund der Kosten und der Leistungsfähigkeit des Verfahrens eignet sich das Binder-Jetting-Verfahren, um diese Möglichkeiten auf die Losgrößen von Serienbauteilen zu erweitern. Die Kombination mit konventionellen Verfahren ist wirtschaftlich attraktiv, und die produzierten Teile können leicht qualifiziert werden. Größere Serien sind aufgrund des hohen Anteils an manuellen Arbeiten nach dem Druck derzeit eher selten. Dieser Artikel zeigt die Gründe dafür auf und stellt eine Prozessmethode vor, die den manuellen Arbeitsaufwand deutlich reduzieren kann. Werden die Teile in der vorgeschlagenen Weise bearbeitet, kann ohne zusätzliches Engineering eine Vollautomatisierung zur Reinigung der Bauteile erreicht werden. Anhand von Beispielen wird gezeigt, wie diese Methode an verschiedene Produktionsszenarien angepasst werden kann.

Additiv gefertigte und anschließend funktionalisierte keramische Bauteile bilden die Basis für verschiedene technische Prozesse, die durch die Kombination von Heiz- und Kühlsystemen in einem Bauteil signifikant beschleunigt werden können.

Gegenüber bisherigen Technologien, mit denen aktiv gekühlte Substrate hergestellt werden, bieten additive Fertigungstechnologien wesentlich größere geometrische Freiheitsgrade bei der Integration der Kühlsystemstrukturen in einen keramischen Monolithen. Dadurch können zum einen die fluidischen Strukturen und Anschlüsse volumenintegriert direkt realisiert werden. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die äußere Geometrie so auszuführen, dass eine nachträgliche Funktionalisierung unter Verwendung hochproduktiver und industriell eingeführter Fertigungstechnologien, wie z. B. dem Siebdruck von Dickschichtpasten möglich ist.

Im Vortrag wird das Potential der Verfahrenskombination aus der Additiven Fertigung keramischer Substrate (CerAMfacturing) und der anschließenden Funktionalisierung dieser anhand von jeweils einem Beispiel aus der Medizin- sowie Verfahrenstechnik präsentiert.

Die additive Fertigung bietet eine einzigartige Gestaltungsfreiheit zur Herstellung struktureller und funktionaler Bauteile. Aufgrund der in der Raumfahrt typischen geringen Stückzahlen zeigen sich vielversprechende Anwendungen für Satelliten.

Im Gegensatz zur traditionellen Fertigung können die Materialeigenschaften nicht einer Materialdatenbank entnommen werden, sondern werden erst während des Fertigungsprozesses festgelegt. Erfahrungsgemäß hängt die Bauteilqualität vom verwendeten Rohmaterial, den Prozessbedingungen, dem Anlagentyp und dem Bauteillieferanten ab. Eine robuste und zuverlässige Prozesskette ist deshalb eine Grundvoraussetzung um die erforderliche Bauteilqualität sicherzustellen. Der Vortrag beleuchtet OHB's Ansatz zur Einführung von Satellitenbauteilen mittels additiver Fertigung. Der vorgestellte Prozess konzentriert sich auf die Interaktion zwischen Konstruktion und Strukturanalyse unter Verwendung topologischer Optimierung. Kürzlich entwickelte Bauteile werden vorgestellt um die Vorteile der Technologie gegenüber konventionellen Lösungen zu verdeutlichen. Ein Ausblick auf die Prüfung der Materialeigenschaften und Verifizierung der Bauteileigenschaften runden den Vortrag ab.

Die additive Fertigung (AM – additive manufacturing) erlaubt es Bauteile zu produzieren, die eine enorme Komplexität hinsichtlich organischer Formen oder innenliegender Geometrien aufweisen. Gerade für Luftfahrtanwendungen ergeben sich somit neue Design-Möglichkeiten zur Gewichts-Optimierung, ohne mechanische Stabilität zu verlieren. Bevor solche Bauteile jedoch verwendet werden können, bedarf es einer strikten Qualitätsprüfung, die im Idealfall zerstörungsfrei abläuft und der geometrischen Komplexität der Bauteile gerecht wird. Hier präsentieren wir als Fallbeispiel die zerstörungsfreie Prüfung der Reaktionsrad-Klammern eines Telekom Satelliten. Um die gesamte 3D Geometrie des Bauteils zerstörungsfrei auf Materialfehler zu prüfen, kommt die industrielle Computer-Tomographie (CT) zum Einsatz. Dieses Verfahren beruht auf Röntgenbildgebung und resultiert in einem 3D-Volumendatensatz des Bauteils, welcher virtuell in beliebigen Ebenen geschnitten werden kann, um Innere Strukturen darzustellen. Somit können, Poren, Fremdpartikeleinschlüsse oder Bindefehler visualisiert werden. Weiterhin kann der CT-Datensatz verwendet werden, um die Bauteilgeometrie gegen ihre nominalen CAD-Daten abzugleichen und somit Formabweichungen zwischen Soll- und Ist-Geometrien hervorzuheben. Dadurch ergibt sich ein umfassendes Bild zur Qualität additiv gefertigter Bauteile.

Die Additive Fertigung mit dem Pulverbettverfahren hat sich über die Jahre in der Medizintechnik besonders in der Orthopädie bzw. Implantatfertigung etabliert. Vorrangig kommen für diese Anwendungen Titan und Titanlegierungen zum Einsatz, die sich durch hohe Biokompatibilität sowie geeignete mechanische Eigenschaften auszeichnen. Nichtsdestotrotz gibt es für manche Anwendungen im Medizintechnik-Umfeld höhere Anforderungen an das Materialverhalten, die mit den bewährten Titanwerkstoffen nicht vollumfänglich erfüllt werden können. Metallische Gläser scheinen hier eine vielversprechende Alternative zu bieten, die nicht nur gute Verträglichkeit im menschlichen Körper sicherstellt, sondern auch eine höhere Flexibilität aufweist. Dies kann ein großes Potential für die additive Herstellung von stark dynamisch belasteten Implantaten wie beispielsweise Rippenbögen bieten.

Unterschenkelorthesen werden stets individuell vom Orthopädietechniker an den Patienten angepasst. Dieser Vorgang ist jedoch nach aktuellem Stand sehr zeit-aufwendig, erfordert höchstpräzise Arbeit des Technikers und die am Ende des Herstellungsprozesses stehende Orthese ist nicht ausreichend reproduzierbar. Mit diesem Beitrag soll eine digitale Prozesskette zur nachhaltigen Herstellung individueller Unterschenkelorthesen vorgestellt werden.

Schritt eins ist die digitale Patientendatenerfassung (mechanische, anatomische Parameter, Metadaten und Körperteilscans) für Konstruktionsanalysen. Dies wird außerdem als Input für die Konstruktionsparameter zur Modellierung des initialen CAD-Modells der Orthesenelemente benötigt. Als ausgewähltes Beispiel soll hier ein neuentwickeltes, konstruiertes Gelenkdesign einer speziellen Unterschenkelorthesenart dienen. Im zweiten Schritt werden die spezifischen Patientenparameter im CAD implementiert, um die Gelenkkonfiguration zu steuern. Mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes ist es hier möglich, perfekt passenden Spezifikationen des Orthesengelenkes automatisiert zu generieren und eine zeitsparende Adaption des CAD-Modells umzusetzen. Schritt drei beinhaltet Druckvorbereitungen und schließlich die additive Fertigung (AM), welche ein präzises und schnell gefertigtes Produkt ermöglicht. Daneben kann durch Fertigungseigenschaften sowie Pozessdigitalisierung eine Nachbearbeitung der Orthese bzw. Wiederholung der Herstellung durch fehlerhaftes Arbeiten nahezu ausgeschlossen werden oder mindestens vereinfacht werden. Ferner kann Produktmaterial eingespart werden. Das genaue Gelenkverhalten mit AM gilt es noch zu überprüfen, insgesamt konnte aber der Herstellungsprozess effizienter und nachhaltiger gestaltet werden.

Gegenwärtige konventionelle Bauweisen tragen zu einer erheblichen Menge an Gesamtabfall bei, was erhebliche negative finanzielle und ökologische Auswirkungen hat. Die additive Fertigung (AM) bietet schnellere, sicherere, kostengünstigere und umweltverträglichere Konstruktionssysteme als zukünftige Alternative zu den derzeit üblichen Methoden. Darüber hinaus hat die potenzielle Anwendung von AM im Bauwesen in den letzten Jahren erheblich zugenommen, war jedoch auf kleine Prototypen beschränkt. Die jüngste Entwicklung von Berechnungsformfindung und AM hat die Möglichkeiten für umfassende Untersuchungen zum Entwurf hocheffizienter Struktursysteme erweitert. Die vorgestellte Forschung untersucht das Potenzial, mit dem Topologieoptimierung und AM verwendet werden können, um die Grenzen des Entwurfs von Hochleistungsbausystemen zu erweitern. Dieser Prozess baut Material nur in Bereichen mit hoher Beanspruchung auf, basierend auf in der Natur vorkommenden biomimetischen Prinzipien, wodurch die strukturelle Leistung maximiert und das Gewicht minimiert wird. Die vorgeschlagene robotergesteuerte Plattform für additive Fertigung und rechnergestütztes Design wird die Bauindustrie revolutionieren, indem neue Verfahren entwickelt werden, um hochleistungsfähige 3D-gedruckte Bauteile in Originalgröße zu entwerfen und herzustellen. Die Ergebnisse der neuen vorgeschlagenen Technologie werden der erste Schritt in Richtung eines neuartigen, vollständig integrierten Ansatzes zur Herstellung von Robotern für Konstruktionen sein, der von der Materialwirtschaftlichkeit intelligenter Netto-Null-Kohlenstoff-Bauteile angetrieben wird.

Unvorhersehbare Umweltprobleme oder Gesellschaftsereignisse und nicht geplante Nachfrageschwankungen in Zeiten der Digitalisierung fordern hohe Flexibilität in der Produktion. Flexibilität benötigt verlässliche effiziente Rahmenbedingungen, die genormt sind. Angefangen bei der Reduzierung des Datenvolumens mit entsprechender Standardisierung, Produktionsoptimierung unterstützt durch intelligente KI-Lösungen oder auch der Erweiterung von Leistungen durch flexible Cloud-Lösungen. Ziel ist es tragfähige, zukunftsorientierte und nachhaltige Lösung mit dem richtigen Maß an Standardisierung und Individualität zu finden. Funktionierende und nachhaltige Lösungen sind die Erfolgsfaktoren für die AM-Fertigung.