Markus Kahnert. Scanstrategien zur verbesserten Prozessführung beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

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3 Markus Kahnert Scanstrategien zur verbesserten Prozessführung beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) Herbert Utz Verlag München 2014

4 Forschungsberichte IWB Band 293 Ebook (PDF)-Ausgabe: ISBN Version: 1 vom Copyright Herbert Utz Verlag 2014 Alternative Ausgabe: Softcover ISBN Copyright Herbert Utz Verlag 2014

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7 Technische Universität München Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Scanstrategien zur verbesserten Prozessführung beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) Dipl.-Ing. (Univ.) Markus Kahnert Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-J. Kaltenbach Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. Zäh 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Witt Universität Duisburg-Essen Die Dissertation wurde am bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am angenommen.

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9 Markus Kahnert Scanstrategien zur verbesserten Prozessführung beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) Herbert Utz Verlag München

10 Forschungsberichte IWB Band 293 Zugl.: Diss., München, Techn. Univ., 2014 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf fotomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Copyright Herbert Utz Verlag GmbH 2015 ISBN Printed in Germany Herbert Utz Verlag GmbH, München

11 Geleitwort der Herausgeber Die Produktionstechnik ist für die Weiterentwicklung unserer Industriegesellschaft von zentraler Bedeutung, denn die Leistungsfähigkeit eines Industriebetriebes hängt entscheidend von den eingesetzten Produktionsmitteln, den angewandten Produktionsverfahren und der eingeführten Produktionsorganisation ab. Erst das optimale Zusammenspiel von Mensch, Organisation und Technik erlaubt es, alle Potentiale für den Unternehmenserfolg auszuschöpfen. Um in dem Spannungsfeld Komplexität, Kosten, Zeit und Qualität bestehen zu können, müssen Produktionsstrukturen ständig neu überdacht und weiterentwickelt werden. Dabei ist es notwendig, die Komplexität von Produkten, Produktionsabläufen und -systemen einerseits zu verringern und andererseits besser zu beherrschen. Ziel der Forschungsarbeiten des iwb ist die ständige Verbesserung von Produktentwicklungs- und Planungssystemen, von Herstellverfahren sowie von Produktionsanlagen. Betriebsorganisation, Produktions- und Arbeitsstrukturen sowie Systeme zur Auftragsabwicklung werden unter besonderer Berücksichtigung mitarbeiterorientierter Anforderungen entwickelt. Die dabei notwendige Steigerung des Automatisierungsgrades darf jedoch nicht zu einer Verfestigung arbeitsteiliger Strukturen führen. Fragen der optimalen Einbindung des Menschen in den Produktentstehungsprozess spielen deshalb eine sehr wichtige Rolle. Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Bände stammen thematisch aus den Forschungsbereichen des iwb. Diese reichen von der Entwicklung von Produktionssystemen über deren Planung bis hin zu den eingesetzten Technologien in den Bereichen Fertigung und Montage. Steuerung und Betrieb von Produktionssystemen, Qualitätssicherung, Verfügbarkeit und Autonomie sind Querschnittsthemen hierfür. In den iwb Forschungsberichten werden neue Ergebnisse und Erkenntnisse aus der praxisnahen Forschung des iwb veröffentlicht. Diese Buchreihe soll dazu beitragen, den Wissenstransfer zwischen dem Hochschulbereich und dem Anwender in der Praxis zu verbessern. Gunther Reinhart Michael Zäh

12 Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München. Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh und Herrn Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart, den Leitern dieses Instituts, gilt mein besonderer Dank für die wohlwollende Förderung und großzügige Unterstützung meiner Arbeit. Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt, dem Leiter des Lehrstuhls für Fertigungstechnik der Universität Duisburg - Essen, möchte ich mich für die Übernahme des Korreferates und die aufmerksame Durchsicht der Arbeit sehr herzlich bedanken. Herrn Prof. Dr.-Ing. Hans-Jakob Kaltenbach danke ich für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Darüber hinaus bedanke ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts sowie allen Studierenden, die mich bei der Erstellung meiner Arbeit unterstützt haben, recht herzlich. Meinen Dank möchte ich im Besonderen auch an alle Werkstätten und Labore für die unkomplizierte und angenehme Zusammenarbeit aussprechen. Dem Forschungsfeld Additive Fertigung danke ich für die vielfältigen konstruktiv-kritischen Beiträge und Anregungen zu dieser Arbeit. In besonderer Weise möchte ich mich bei meiner Familie bedanken, die mich während meines bisherigen Lebensweges begleitet und durch ihre Unterstützung meine Ausbildung ermöglicht hat. Schließlich danke ich meiner Frau Eva für ihre Geduld und ihren immerwährenden Rückhalt. Sie hat damit maßgeblich zur Entstehung und zur Fertigstellung dieser Arbeit beigetragen. Augsburg, im März 2014 Markus Kahnert

13 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Allgemeines Motivation der Arbeit Das generative Verfahrensprinzip Entwicklung, Abgrenzung und kommerzieller Einsatz generativer Fertigungsverfahren Potenziale generativer Fertigungsverfahren... 7 Metallische Werkstoffe in der generativen Fertigung... 8 Einfluss von Scanstrategien auf die generative Fertigung Zusammenfassung Zielsetzung und Struktur der Arbeit Allgemeines Zielsetzung Vorgehensweise und Struktur der Arbeit Stand der Forschung und Technik Allgemeines Definitionen Allgemeines Scanstrategie Übersicht der Parameter einer Scanstrategie Bindungsmechanismen beim selektiven Verfestigen Aufbau und Funktion von Anlagen für die generative Fertigung Aufbau und Funktion I

14 Inhaltsverzeichnis Energiequellen für das selektive Aufschmelzen Systeme zur Energieführung Analyse von Scanstrategien Ausgangssituation Bewertete Scanstrategien Analyse verschiedener Scanmuster Einfluss von Prozessparametern auf die strahlbasierte generative Fertigung Zusammenfassung Der Elektronenstrahl Allgemeines Funktionsprinzip der Strahlerzeugung und -formung Prozesse in metallischen Werkstoffen Parameter für das Elektronenstrahlschmelzen Potenziale des Elektronenstrahls in Bezug auf das EBM Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) Allgemeines Physikalische Effekte Prozessschritte beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) Der Elektronenstrahl in der generativen Fertigung Zusammenfassung und Schlussfolgerungen für das EBM Beschreibungsmethodik für Scanstrategien Allgemeines Entwicklung einer Methode zur Beschreibung von Scanstrategien Allgemeines II

15 Inhaltsverzeichnis Anforderungen an eine Methode zur Beschreibung von Scanstrategien Elemente zur Beschreibung von Scanstrategien Informationsebenen für die Beschreibung von Scanstrategien Beschreibung von Scanstrategieelementen Verknüpfung der Elemente Umsetzung im Rahmen des Elektronenstrahlschmelzens Exemplarische Umsetzung Darstellung des potenziellen Lösungsraumes Vorgehensweisen zur Einschränkung des Lösungsraums Allgemeines Schranken zur Lösungsraumeinschränkung Schritte zur Bewertung von Scanstrategien Verwendete Elektronenstrahl-Universalkammeranlage und deren Modifikation Installierte Anlagentechnik Modifikationen an der Anlagentechnik Allgemeines Anforderungen Anlagenerweiterungen Integration eines Auftragsmechanismus in die Bearbeitungskammer Anlagensteuerung Resultierender modularer Aufbau Automatisierte Erzeugung von Scanstrategien III

16 Inhaltsverzeichnis Allgemeines Anforderungen und Randbedingungen Softwaretool Allgemeines Struktur und Aufbau des Softwaretools Benutzeroberfläche Aufbau der Datei für die Strahlablenkung Umsetzung im Rahmen des Elektronenstrahlschmelzens Einbindung in den Fertigungsablauf Zusammenfassung Analyse und Bewertung von Scanstrategien Allgemeines Schranke 1: Einsatz von Expertenwissen und Literaturquellen Vorgehen Bewertung der Scanstrategien hinsichtlich exemplarischer Zielgrößen Zusammenfassung Schranke 2: Simulationsuntersuchungen Allgemeines Simulationsmodell Ziele Vorgehensweise und untersuchte Parameter Auswirkungen der Energieeinbringung Steigerung der Prozessqualität durch adaptive Scanstrategien Validierung der Effekte durch Prozessuntersuchungen IV

17 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Schranke 3: Einfluss von Scanmustern auf die Bauteilqualität Allgemeines Ziel der Untersuchungen und Versuchsplanung Versuchsdurchführung zur Untersuchung unterschiedlicher Scanmuster Analyse der durchgeführten Versuche Zusammenfassung Schranke 4: Optimierung der Schichtqualität durch angepasste Strahlparameter Allgemeines Oberflächengüte Porenbildung Schichtverbindung Zusammenfassung Zusammenfassung Auswahl und Umsetzung von Scanstrategien Allgemeines Auswahl und Definition einer Scanstrategie Mögliche Scanstrategien in der Elektronenstrahl- Universalkammeranlage Bestimmung der Zielgrößen mit ihren Gewichtungsfaktoren Bewertung und Auswahl möglicher Scanstrategien Herstellung eines Demonstratorbauteils Potenziale des Elektronenstrahlschmelzens V

18 Inhaltsverzeichnis 6 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang Diagramm zur Beschreibung von Scanstrategien Beispiel einer MiniMod-Datei NC-Programme Versuchsübersicht des Abschnitts Versuchsübersicht der Abschnitte und Versuchsübersicht des Abschnitts In der Arbeit genannte Firmen VI

19 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Ø Durchmesser Grad C Grad Celsius μ μm 2D 3D 3D-Printing A AA AB ABS AG Al ALM ASCII bezgl. bspw. bzw. c C CAD mikro Mikrometer zweidimensional dreidimensional dreidimensionales Drucken (engl.: Printing) Ampere Aluminum Association (dt.: Aluminium-Vereinigung) schwed.: Aktiebolag (dt.: Aktiengesellschaft) absolut (Angabe für die MiniMod-Programmierung) Aktiengesellschaft Aluminium Additive Layer Manufacturing (dt.: generative Fertigung) American Standard Code for Information Interchange (dt.: amerikanischer Standardcode für Informationsaustausch) bezüglich beispielsweise beziehungsweise centi Kohlenstoff Computer Aided Design (dt.: rechnerunterstütztes Konstruieren) VII

20 Abkürzungsverzeichnis chem. CLI CNC CO 2 Cr Cu d chemisch Common Layer Interface (englische Bezeichnung des Datenformats zur Darstellung einer Bauteilschicht) Computerized Numerical Control (dt.: computergestützte numerische Steuerung) Kohlendioxid Chrom Kupfer dezi d. h. das heißt DIN dm³ DMLS DoE dt. EB EBM EBS engl. EOF EOS Deutsches Institut für Normung Kubikdezimeter Direct Metal Laser Sintering (Verfahrensbezeichnung, dt.: Direktes Metall-Lasersintern) Design of Experiments (dt.: statistische Versuchsplanung) deutsch Electron Beam (dt.: Elektronenstrahl) Electron Beam Melting (Verfahrensbezeichnung, dt.: Elektronenstrahlschmelzen) Electron Beam Sintering (Verfahrensbezeichnung, dt.: Elektronenstrahlsintern) englisch End of File (dt.: Programmende; Angabe für die MiniMod- Programmierung) Electro Optical Systems GmbH VIII

21 Abkürzungsverzeichnis et al. evtl. Exp. FASS FDM Fe FEM FIT FPGA GmbH GUI high-ox HSC Hz inkl. iwb J k K kg KG kv et alii bzw. et aliae (dt.: und Andere) eventuell Experiment space-filling, self-avoiding, simple und self-similar (dt.: raumfüllend, selbstausweichend, einfach und selbstähnlich) Fused Deposition Modelling (Verfahrensbezeichnung, dt.: Schmelzschichtung) Eisen Finite-Elemente-Methode Fruth Innovative Technologien GmbH Field Programmable Gate Array Gesellschaft mit beschränkter Haftung Graphical User Interface (dt.: grafische Benutzeroberfläche) highly oxidized (dt.: stark oxidiert) High Speed Cutting (dt.: Hochgeschwindigkeitszerspanung) Hertz inklusive Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TU München Joule kilo Kelvin Kilogramm Kommanditgesellschaft Kilovolt IX

22 Abkürzungsverzeichnis kw l LASER LM LOM low-ox m M ma Max mbar mech. MELATO MHz Min min mm mm³ mol Mo ms n N Kilowatt Liter Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (dt.: Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Strahlung) Layer Manufacturing (dt.: schichtweise Fertigung) Laminated Object Manufacturing (Verfahrensbezeichnung) low oxidized (dt.: schwach oxidiert) Meter mega Milliampere Maximum Millibar mechanisch Metal Laminated Tooling (Verfahrensbezeichnung) Megahertz Minimum Minute Millimeter Kubikmillimeter molare Masse Molybdän Millisekunde Nano Newton X

23 Abkürzungsverzeichnis NASA Nd Ni Nr. ns O PC REL rel. RET RM RöV RP RT s Si SLA SLM SLS SPS St National Aeronautics and Space Administration (amerikanische nationale Luft- und Raumfahrtbehörde) Neodym Nickel Nummer Nanosekunde Sauerstoff Personal Computer (dt.: Einzelplatzrechner) relativ (Angabe für die MiniMod-Programmierung) relativ Return (Ende eines Unterprogramms Angabe für die MiniMod-Programmierung) Rapid Manufacturing (dt.: schnelle Fertigung) Röntgenverordnung Rapid Prototyping (dt.: schneller Modellbau) Rapid Tooling (dt.: schneller Werkzeugbau) Sekunde Silizium Stereolithographie Selective Laser Melting (Verfahrensbezeichnung, dt.: Strahlschmelzen) Selective Laser Sintering (Verfahrensbezeichnung, dt.: Selektives Lasersintern) Speicherprogrammierbare Steuerung Stahl XI