Forschungsberich te Band 187 Matthias Meindl Beitrag zur Entwicklung generativer Fertigungs verfahren für das Rapid Manufacturing herausgegeben von Prof. Dr.lng. Michael Zäh Prof. Dr.lng. Günther Reinhart Herbert Utz Verlag
Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Formelverzeichnis VII' XI 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung..1 1.2 Zielsetzung der Arbeit 5 1.3 Vorgehensweise 5 2 Stand der Erkenntnisse zu generativen Fertigungsverfahren und deren Anwendungen 9 2.1 Vorgehensweise im Kapitel 9 2.2 Grundlagen 9 2.3 Verfahrensprinzip 11 2.3.1 Technologisches Grundprinzip 11 2.3.2 Arten der Werkstoffverfestigung 14 2.4 Anwendung generativer Fertigungsverfahren 16 2.4.1 Klassifizierung nach Bauteileigenschaften 16 2.4.2 Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing..18 2.4.3 Handlungsbedarf 22 2.5 Verfügbare generative Fertigungstechnologien 22 2.5.1 Allgemeines 22 2.5.2 Verfestigung durch chemische Aktivatoren - 3D Printing 23 2.5.3 Aufschmelzen und Erstarren.t...24
2.5.4 Lokales Sintern oder Schmelzen 26 2.5.5 Zusammenfassung und Handlungsbedarf 34 3 Phasenmodell zur Technologieentwicklung innerhalb des Rapid Manufacturing 37 3.1 Vorgehensweise im Kapitel 37 3.2 Konzeption eines Phasenmodells 37 3.3 Methoden für das Phasenmodell 40 3.4 Anwendung 43 3.4.1 Primäre Phase: Anforderungsanalyse für Rapid- Manufacturing-Verfahren 43 3 4.2 Sekundäre/Tertiäre Phase: Kinetische Modelle für das Indirekte Metall-Lasersintern 44 3.4.3 Primäre/Sekundäre Phase: Untersuchung und Bewertung von Einflussgrößen für das Elektronenstrahlsintern 45 3.5 Zusammenfassung 45 4 Anforderungen an Rapid-Manufacturing-Verfahren (Primäre Phase). 47 4.1 Vorgehensweise im Kapitel...47 4.2 Zielsetzung und Vorgehensweise der Anforderungsanalyse..47 4.3 Qualitätsanforderungen 48 4.4 Marktentwicklungen und daraus resultierende Anforderungen 49 4.5 Unternehmensspezifische Anforderungen an Fertigungsverfahren... 51 4.6 Unternehmensbefragung 53 4.7 Zusammenfassung 62
5 Kinetische Modelle für das Indirekte Metall-Lasersintern (Sekundäre/Tertiäre Phase) 65 5.1 Vorgehensweise im Kapitel 65 5.2 Ausgangssituation 65 5.3 Zielsetzung und Vorgehensweise 68 5.4 Analyse der thermischen Behandlung beim IMLS 68 5.5 Multivariate formalkinetische Analyse und Modellierung 71 5.5.1 Grundlagen der thermokinetischen Analyse 71 5.5.2 Kinetische Modelle 74 5.5.3 Formalkinetische Analyse und Modellierung 75 5.5.4 Vorgehensweise zur multivariaten formalkinetische Analyse und Modellierung (MFA) 78 5.6 Adaption der multivariaten formalkinetischen Analyse an das IMLS..79 5.6.1 Grundlagen 79 5.6.2 Untersuchungsobjekte 79 5.6.3 Experimente - Thermische Analyse ;...80 5.6.4 Modellfreie Analyse der TG-Messungen - Anwendung der Friedman-Analyse 81 5.6.5 Kinetische Modellierung 83 5.6.6 Optimierung des Binderausbrennens 86 5.6.7 Modellvalidierung 88 5.7 Technologische und wirtschaftliche Bewertung 92 5.7.1 Aufwand zur Kalibrierung des Ofenprozesses für neue Pulverwerkstoffe oder erweiterte Bauteildimensionen 92
5.7.2 Herstellung von Bauteilen - geometrieabhängige Untersuchungen 94 5.7.3 Nachbehandlung, Reparatur 94 5.7.4 Nutzen aus der Anwendung multivariater formalkinetischer Modelle 95 6 Untersuchung und Bewertung von Einflussgrößen für das Elektronenstrahlsintern (Primäre/Sekundäre Phase) 99 6.1 Vorgehensweise im Kapitel 99 6.2 Ausgangssituation 99 6.3 Zielsetzung 101 6.4 Vorgehensweise...101 6.4.1 Erfassen der Einflussgrößen 101 6.4.2 Methoden zur Untersuchung und Bewertung von Einflussgrößen... 103 6.5 Elektronenstrahlsintern (EBS) 106 6.5.1 Anlagentechnologie 106 6.5.2 Verfahrensprinzip 110 6.6 Detaillierte Analyse des EBS 112 6.6.1 Umfang der Analyse 112 6.6.2 Ermittlung von Einflussgrößen 112 6.6.3 Werkstoffe - Metallpulver 114 6.6.4 Energieeinkopplung des Elektronenstrahls in das Pulver 117 6.6.5 Belichtungsstrategien, 120 IV
6.7 Festlegung der Einfluss- und Zielgrößen für die Versuchsdurchführung 122 6.7.1 Einflussgrößen für die Versuchsdurchführung 122 6.7.2 Zielgrößen zur Beurteilung von Produktmerkmalen 124 6.7.3 Identifikation geeigneter Wertebereiche für Einflussgrößen... 128 6.8 Konzeption der Versuchsstrategie 130 6.8.1 Versuchsdurchführung, 130 6.8.2 Bewertung von Zielgrößen 135 6.8.3 Versuchsauswertung 136 6.9 Versuchsdurchführung und -auswertung...140 6.9.1 Versuchsmatrix 140 6.9.2 Durchführung von Experimenten ; 141 6.9.3 Versuchsauswertung bei Kupferpulver Cu-103 (Cu38Ni) 142 6.10 Verifikation 152 6.11 Technologische und wirtschaftliche Bewertung 155 7 Zusammenfassung und Ausblick 161 8 Literatur 167 9 Anhang 187 9.1 Der Qualitätsbegriff 187 9.2 Umfrage zu Einsatzpotenzialen generativer Fertigungsverfahren für die Serienfertigung 189 9.3 Vorgehensweise zur multivariaten formalkinetischen Analyse 193 9.3.1 Erfassung und grundlegende Interpretation von Messdaten.193 V
9.3.2 Modellfreie Schätzung der Aktivierungsenergie 194 9.3.3 Kinetische Modellierung 196 9.4 Kenndaten des verwendeten thermogravimetrischen Analysators.. 200 9.5 Signifikante Haupt- und Wechselwirkungseffekte beim EBS von Kupferpulver Cu-103 (Cu38Ni) 201 9.5.1 Zielgröße Adhäsion 201 9.5.2 Zielgröße Spur 203 9.5.3 Zielgröße Strahleindringtiefe 204 9.5.4 Zielgröße Versinterungsgrad 205 9.5.5 Zielgröße Schmelztropfen 206 9.5.6 Zielgröße Spritzen.208 VI