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About this book

Das Buch beschreibt grundlegende Spezifikationen von Bauteilen und Prozessen, Methoden zur Abschätzung der Bauteileignung und Anwendung der Additiven Fertigung sowie zur Entwicklung von Konzepten und Entwürfen. Weiter werden die Konstruktion von Bauteilen, deren Gestaltung zur Sicherstellung funktionaler Anforderungen und der Herstellbarkeit sowie Methoden und Werkzeuge zur Bauteiloptimierung dargestellt. Es erfolgt die Beschreibung von Ansätzen zur rechnergestützten Simulation sowie physischen Validierung von Bauteilen und die Erprobung von Bauteilen und Materialien. Daraus abgeleitet werden Maßnahmen zur Sicherstellung von Qualitätsaspekten charakterisiert. Weiterhin werden die Integration von Additiven Fertigungsverfahren in bestehende Prozesse dargestellt sowie Maßnahmen zur Steigerung der Wertschöpfung abgeleitet. Die Inhalte werden vor dem Hintergrund zum Aufbau neuer Geschäftsmodelle diskutiert, sie wurden 2018 auf einem Workshop präsentiert und zwischen Experten aus Forschung und Industrie erörtert.

Table of Contents

Frontmatter

Konstruktion für die Additive Fertigung – Methodik auf den Kopf gestellt?

Zusammenfassung
Ein Blick auf den Stand der Entwicklungsmethodik zur Unterstützung der Konstruktion für die Additive Fertigung zeigt, dass sich viele Autoren mit der Beschreibung der Maschinen und Technologie auseinandersetzen und ebenso zahlreiche Quellen zu Gestaltungsregeln und Beispielen vorliegen. Die Additive Fertigung wird inzwischen für die Herstellung von Werkzeugen und Montagehilfen sowie als Direct Manufacturing zur Herstellung von Teilen genutzt – Tendenz stark steigend. Um diese Potenziale heben zu können, muss ein anderer methodischer Ansatz als bisher gewählt werden: das Abarbeiten eines Konstruktionsprozesses beginnend mit Planen über Konzipieren und Entwerfen bis hin zum Ausarbeiten. Gerade zu den frühen Phasen des Konstruktionsprozesses liegen nur wenige methodische Handreichungen zum Umgang mit der Additiven Fertigung vor. Hier soll unser Beitrag angreifen, um ein Vorgehen zur Konstruktion Additiver Bauteile von Beginn an zu unterstützen. Vor diesem Hintergrund stellen wir unsere Erkenntnisse und die von uns entwickelten Methoden den Phasen des Entwicklungsprozesses nach VDI 2221 zugeordnet vor.
Rene Bastian Lippert, Roland Lachmayer

Spezifikationen, Potenziale und Lösungsfindung für die Additive Fertigung

Frontmatter

Entwicklung von Laser-Systemkomponenten optimiert für die additive Fertigung mittels SLM

Zusammenfassung
Es bestand das Ziel, einen Laser-Drahtauftragsschweißkopf zu entwickeln, der sowohl für die generative Fertigung, als auch zum Auftragen von Verschleißschutzschichten eingesetzt werden kann. Dieser besteht aus einen Grundkörper, an und in welchen die einzelnen Systemkomponenten integriert werden. Zu den Komponenten gehören grundlegend die optischen Elemente sowie die Schweißdüse. Für die Integration der Einzelteile sind spezielle Halteelemente notwendig. Für die Düse ist ein spezieller Düsenhalter erforderlich, welcher diese aufnimmt und eine statische Positionierung der Düse relativ zum Gesamtsystem ermöglicht.
Die Anforderungen an diesen Düsenhalter liegen vor allem in der geometrischen Genauigkeit des Bauteils. Des Weiteren ist der Düsenhalter thermischen Einwirkungen ausgesetzt, sodass eine Kühlung des Düsenhalters notwendig ist. Durch den Prozess ist der Bauraum zudem stark eingeschränkt.
Bei der Konstruktion des Düsenhalters wurde deshalb von vornherein die Eigenschaften des Fertigungsverfahrens Selektives Laserschmelzen berücksichtigt und das Bauteil entsprechend ausgelegt, mit Stütz- und Aufnahmestrukturen versehen, generativ gefertigt und anschließend spanend fertig bearbeitet.
Marius Lammers, Laura Budde, Alexander Barroi, Jörg Hermsdorf, Stefan Kaierle

Analyse von Trends in der Implementierung der Additiven Fertigung anhand aktueller industrieller Anwendungen

Zusammenfassung
Im Bereich der Additiven Fertigung bieten industrielle Anwendungsbeispiele aus wissenschaftlicher Sicht die Möglichkeit, den Mehrwert dieser Verfahrensklasse aufzuzeigen und aktuelle Entwicklungen und Trends in der Implementierung von Applikationen zu identifizieren. Auf Basis der Veröffentlichung „Swiss Additive Manufacturing Guide 2018“ analysiert dieser Beitrag Anwendungen aus der Industrie, von denen Trends abgeleitet werden. Zu den beschriebenen Trends zählen die Implementierung von innovativen Serienbauteilen mit erhöhter Komplexität, die Verwendung durchgängiger Prozessketten, die Kombination mit klassischen Verfahren zu komplexen Fertigungsrouten sowie die automatisierte Designerstellung. Ausgehend von einer Diskussion der Anwendungsbeispiele und Trends motiviert der Beitrag mögliche Handlungsfelder und Fragestellungen für die Forschung.
Manuel Biedermann, Mirko Meboldt

TRIZ als Schlüssel zu den Potentialen additiver Fertigungsverfahren

Zusammenfassung
Unter Verwendung der additiven Fertigung lassen sich Bauteile mit komplexen Geometrien herstellen. Die hieraus resultierenden gestalterischen Freiheiten wie Hinterschneidungen, Hohlräume oder das Einbringen gezielter Porosität können zur Erweiterung des Lösungsraums in der Produktentwicklung verwendet werden. Um die Erweiterung des Lösungsraums systematisch zu unterstützen, bietet sich die Theorie des erfinderischen Problemlösens TRIZ an. Diese stellt dem Entwickler Lösungsprinzipien aus Patenten, aufbereitet zur Überwindung von Widersprüchen in der Produktentwicklung, zur Verfügung.
Ziel ist es, in der Methodik TRIZ die gestalterischen Freiheiten der additiven Fertigung zu integrieren. Dazu werden zunächst bestehende Beispiele additiv gefertigter Bauteile gesammelt. Die hierbei umgesetzten gestalterischen Freiheiten werden identifiziert und den 40 TRIZ-Innovationsprinzipien zugeordnet. Dadurch lassen sich die TRIZ-Prinzipien auswählen, welche sich für die additive Fertigung bestmöglich eignen. Diese werden anschließend in der TRIZ-Widerspruchsmatrix kenntlich gemacht, um damit zu verdeutlichen, welche Widersprüche bisher durch die additive Fertigung gelöst werden konnten.
Ergebnis der Anpassung ist eine AM-approved TRIZ Methodik, mit der sich die aus den gestalterischen Freiheiten resultierenden Potentiale berücksichtigen lassen.
Fiona Schulte, Jan Würtenberger, Kay-Eric Steffan, Eckhard Kirchner

Schnelle kostengerechte Bauteilgestaltung für die additive Fertigung

Zusammenfassung
Bei der additiven Fertigung können nach der Erstellung von 3D-CAD-Modellen Aussagen zur Herstellzeit und zum Materialverbrauch generiert werden, mithilfe derer die Herstellkosten eines Bauteils abgeschätzt werden können. Nach der Prozesskette der additiven Fertigung ist die Bestimmung dieser Größen berechnungs- und zeitintensiv.
Die Ausführungen dieser Arbeit sollen einen Beitrag zur kostengerechten Bauteilgestaltung leisten, indem eine kontinuierliche und schnelle Vorhersage von Fertigungsmerkmalen während der Arbeit im CAD-Programm bereitgestellt wird. Der Einfluss einer Änderung von Fertigungsparametern auf die Herstellkosten soll für eine Vielzahl von Bauteilen simultan und unmittelbar sichtbar werden.
Über die Ausprägung der Merkmale Volumen, Oberfläche und Bauteilhöhe werden CAD-Modelle in Vergleichskörper abstrahiert, die in Bruchteilen einer Sekunde automatisiert berechnet werden können. Dieses voll parametrische Berechnungsschema ist unabhängig vom additiven Fertigungsverfahren und kann in jedes CAD-Programm integriert werden. Die Arbeit schließt an zuvor veröffentlichte Arbeiten an. Eine kostengerechte Bauteilgestaltung wird mithilfe der Vorhersagealgorithmen in einem CAD-System für eine beispielhafte Baugruppe und das Fused Deposition Modeling dargestellt.
Peter Hartogh, Thomas Vietor

Bionik – Potenziale für die Konstruktion additiv gefertigter Bauteile

Zusammenfassung
Bionik ist eine Innovationsmethodik zur Übertragung biologischer Lösungen in die Technik, beispielsweise für die Konstruktion gewichts- und belastungsoptimierter Bauteile. Für die Herausforderungen der Konstruktion additiv gefertigter Bauteile, wie die Vermeidung von Verzug, Stützstrukturen und Materialminimalismus bietet Bionik daher großes Potenzial. In der industriellen Praxis wird Bionik dennoch selten angewendet, u. a. da für viele Unternehmen die praktische Anwendbarkeit bis zum Prototypen nicht ersichtlich ist. Ziel dieser Arbeit ist daher, ein praxisnahes Vorgehen zur Suche nach biologischen Systemen, Analyse, Abstraktion und Transfer von Analogien zu entwickeln. Dafür nutzen wir als Fallbeispiel die Konstruktion einer mittels Stereolithografie gefertigten Mikrotiterplatte, deren Maßhaltigkeit durch Verzug beeinträchtigt wird. Hierbei kann der Gießkannenschwamm, ein Tiefseeorganismus, als Vorbild dienen. Er besitzt einen hierarchischen Aufbau aus Silikatnadeln, dessen Elemente für den bionischen Transfer abstrahiert werden. Wir zeigen und evaluieren den Transfer von unterschiedlichen Analogien anhand eines Prototyps.
Helena Hashemi Farzaneh, Ferdinand Angele, Markus Zimmermann

Gestaltung und Optimierung für die Additive Fertigung

Frontmatter

Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives Laserstrahlschmelzen

Zusammenfassung
Gradierte Materialien sind definiert als kontinuierliche Veränderung einer oder mehrerer Materialeigenschaften in mindestens einer Raumrichtung. Hauptanwendungen sind Strukturbauteile mit technisch widersprüchlichen Funktionen, um z. B. Steifigkeits- und Dämpfungsanforderungen zu kombinieren. Gradierte Materialien können jedoch aufgrund der Limitation durch konventionelle Fertigungsverfahren lediglich für Bauteiloberflächen mit geringer Eindringtiefe eingesetzt werden. Hingegen ermöglicht Selektives Laserstrahlschmelzen eine lokale Manipulation von Bauteilen, indem jedem Voxel individuelle Parameter zugewiesen werden.
In diesem Beitrag wird ein Ansatz zur Auslegung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives Laserstrahlschmelzen beschrieben. Dafür wird ein Bewertungsverfahren dargestellt, mit welchem die Eignung von gradierten Materialien für Strukturbauteile anhand von messbaren Bewertungskriterien abgeschätzt werden kann. Parallel wird die Gestaltung eines Schaftfräsers als Demonstrator mit gradierten Materialien beschrieben und entsprechend umgesetzt. Die Gestaltung des Demonstrators erfolgt dabei stets vor dem Hintergrund der Herstellbarkeit durch Selektives Laserstrahlschmelzen.
Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert, Roland Lachmayer

Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien für die Konstruktion additiv gefertigter Mechanismen

Zusammenfassung
Additive Fertigungsverfahren haben sich aufgrund ihrer losgrößenunabhängigen Fertigungskosten und der großen Gestaltungsfreiheit sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Anwendung erfolgreich etabliert. So werden die verschiedenen additiven Verfahren nicht mehr nur für die Herstellung von Prototypen, sondern vermehrt zur Fertigung komplexer, endkonturnaher Bauteile und gesamter Baugruppen angewendet. Dabei konnten in den letzten Jahren zahlreiche Richtlinien für die Gestaltung der schichtweise aufgebauten Bauteile hergeleitet werden. Eine umfassende Betrachtung additiv gefertigter Gelenke fehlt jedoch bisher. Um den Produktentwickler bzw. Konstrukteur bei der Gestaltung von mittels Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellten Drehgelenken zu unterstützen, werden im nachfolgenden Beitrag relevante Aspekte, wie z. B erforderliche Mindestspalte zur Trennung von nicht- und einfach-gekrümmten Elementen, aufgezeigt. Versuchsergebnisse dienen dabei als Basis für die Ableitung von Richtlinien für das Design FDM-gedruckter Gelenke und ergänzen dadurch die Grundsätze des Design for Additive Manufacturing. Die Umsetzung der erarbeiteten Gestaltungsrichtlinien wird anschließend exemplarisch an einem ebenen Mechanismus dargelegt.
Martin Hallmann, Benjamin Schleich, Sandro Wartzack

Erkenntnisgewinn in der Gestaltung mit Rapid Prototyping Ersatzsystemen durch Modellbildung und Parametertransformation

Zusammenfassung
In der Gestaltung als Teil der Produktentwicklung benötigt die Umsetzung eines Lösungsprinzips in ein herstellbares Produkt häufig erhebliche Ressourcen. Ein großer Teil dieser Ressourcen wird für den Erkenntnisgewinn zu Zusammenhängen von Gestaltparametern und Funktionserfüllung mittels Versuch oder Simulation verwendet. Im Versuch können Ressourcen eingespart werden, wenn die zur Gestaltung notwendigen Erkenntnisse statt im Originalsystem in einem mit Rapid Prototyping Verfahren erstellten Ersatzsystem gewonnen werden können. Dazu ist ein Modell notwendig, mit dem funktionsrelevante Parameter identifiziert und in ein geeignetes Ersatzsystem transformiert werden können. In diesem Ersatzsystem ist ein beschleunigter Erkenntnisgewinn mit geringerem Ressourceneinsatz möglich. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse rücktransformiert und im Originalsystem umgesetzt. In diesem Beitrag wird ein Vorgehen entwickelt, in dem durch Modellbildung und Transformation von Gestaltparametern in ein mit Rapid Prototyping gefertigtes Ersatzsystem Erkenntnisse gewonnen werden. Diese werden durch Rücktransformation im Originalsystem nutzbar. Dieses Vorgehen wird an zwei Beispielsystemen angewandt. Mit ihm soll die Ressourceneffizienz in der Gestaltung durch Einsatz von Rapid Prototyping-Verfahren unterstützt werden.
Sven Matthiesen, Patric Grauberger, Emily Windisch

Methodische Entwicklung einer modularen Lasersintermaschine zur Herstellung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen

Zusammenfassung
In den vergangenen Jahren hat sich das Lasersintern im Bereich der medizintechnischen Forschung als aussichtsreiches AM-Verfahren zur zeitnahen Herstellung von patientenspezifischen Implantaten mit entsprechender Bioaktivität etabliert. Aufgrund mangelnder Prozesssteuerbarkeit und zu großer Bauvolumina kommerzieller Lasersintermaschinen wird diesbezüglich am Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Keramische Werkstoffe und dem 3D-Labor der Technischen Universität Berlin eine modulare Lasersintermaschine neuentwickelt, die in Zukunft zur Fertigung von Implantatmatrizen aus bioresorbierbareren Polymeren verwendet werden soll. Ein kleiner Bauraum, hohe Fertigungsgenauigkeit, parametrische Steuerung und die Möglichkeit der Integration geeigneter Sensorik waren die Hauptanforderungen an die Forschungsmaschine. Die Prozesskammer ist durch die Verwendung FDA-konformer Werkstoffe für die Fertigung von Medizinprodukten unter inerter Gasatmosphäre geeignet. Der im Rahmen der Konzipierungsphase erarbeitete Modularisierungsansatz unterteilt die Lasersintermaschine in Maschinengestell, Baustempel-, Pulverzuführ-, Pulverauftrags-, Prozessgas-, Heiz- und Lasermodul. Im Rahmen der materialspezifischen Prozessentwicklung wird das Lasermodul mit entsprechenden Spezifikationen ergänzt.
Clemens Kautz, Dietmar Göhlich

Simulation, Validierung und Qualitätssicherung für die Additive Fertigung

Frontmatter

Materialcharakterisierung transparenter Kunststoffe für die Additive Fertigung

Zusammenfassung
Additive Fertigungsverfahren ermöglichen eine kosteneffiziente Herstellung von hochintegrierten Komponenten in kleiner Stückzahl. Im Rahmen dieser Untersuchung sollen die Potenziale der Additiven Fertigung am Beispiel des Poly-Jet-Modeling und der Stereolithografie für transparente optische Komponenten, wie beispielsweise Linsen und Strahlversatzplatten, bewertet werden.
Hierzu erfolgt zunächst eine Charakterisierung UV-aushärtender transparenter Kunststoffe hinsichtlich Transmissions- und Reflexionsgrad, Absorption und Brechungsindex. Des Weiteren wird die Streuung an Oberflächenrauigkeiten und Materialinhomogenitäten, welche sich über die Parameter des Fertigungsprozesses beeinflussen lässt, anhand von Referenzgeometrien untersucht. Darüber hinaus wird die beschleunigte Alterung des Kunststoffes über eine Bestrahlung mit UV-Licht untersucht um deren Einfluss auf die relevanten optischen Kenngrößen abzuschätzen. Auf Grundlage dieser Untersuchungen werden mögliche Einsatzgebiete additiv gefertigter optischer Komponenten hergeleitet. Abschließend erfolgt eine Extrapolation auf weitere additive Fertigungsverfahren für optische Bauteile.
Katharina Rettschlag, Alexander Wolf, Roland Lachmayer

Anwendung agiler Entwicklungsprinzipien für die Herstellung von Ersatzteilen mit additiven Fertigungsverfahren

Zusammenfassung
Die Herstellung von Ersatzteilen mittels additiver Fertigungsverfahren hat in den letzten Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit erlangt. Herausforderungen bei der Konstruktion von Ersatzteilen bestehen insbesondere durch unklare Rahmenbedingungen wie fehlende Spezifikationen. Somit kann das enorme Potenzial gedruckter Ersatzteile derzeit oftmals nur in geringem Maße genutzt werden. Für die Reproduktion eines Ersatzteils gibt es drei Herangehensweisen, die sich stark voneinander unterscheiden, deren gemeinsames Ziel es jedoch ist, die Virtualisierung des Bauteils als auch die schlussendliche Fertigung effizient und effektiv zu gestalten. Ein weiterer Aspekt ist die Verlagerung des Arbeitsaufwands von der Fertigungs- auf die Konstruktionsseite. Aufgrund von aufkommenden Unsicherheiten während des gesamten Prozesses als auch des iterativen Charakters des Re-Designs für additive Fertigungsverfahren ist die Anwendung von agilen Prinzipien aus der Hardwareentwicklung ein Denkansatz, um die vorherrschenden Unsicherheiten bewältigen zu können. Außerdem sollen dadurch Synergien zwischen der Konstruktions-, der Fertigungs- sowie der Prüfabteilung geschaffen werden.
Joaquin Montero, Alexander Atzberger, Tobias Sebastian Schmidt, Matthias Bleckmann, Jens Holtmannspötter, Kristin Paetzold

Automatische Supportoptimierung für die additive Fertigung

Zusammenfassung
Obwohl die additive Fertigung enorme Freiheiten beim Design von Bauteilen ermöglicht, stellt die Natur des Prozesses höchste Anforderungen an die Prozessvorbereitung und die Nachbearbeitung. In diesem Zusammenhang ist die Definition von geeigneten Supportstrukturen ein kritischer Aspekt, da hierdurch sowohl Einfluss auf die Prozessstabilität, die Prozesskosten als auch den Umfang des Nachbearbeitungsaufwands genommen wird. Um diese Anforderungen vollautomatisch erfüllen zu können, wurde ein neuer Ansatz für die Optimierung von Stützstrukturen implementiert und evaluiert. Der Ansatz verbindet die State-of-the-art Prozesssimulation aus Amphyon mit neuen Optimierungsalgorithmen und adaptiver Vernetzung. Hierdurch ist es möglich, Supportstrukturen auch für große und komplexe Teile innerhalb weniger Minuten oder Stunden zu berechnen. Der Ansatz ermöglicht sowohl die Optimierung von beliebigen zellulären Strukturen innerhalb eines definierten Designraumes als auch die Anpassung der Ansätze zwischen Stützstruktur und Bauteil. Die Ergebnisse werden anhand von Experimenten erläutert und dem Stand der Technik gegenübergestellt.
John Schlasche

Optimierung von Inserts in Sandwichstrukturen durch additive Fertigung

Zusammenfassung
Für den Aufbau von Flugzeugkabineninterieur werden Sandwichstrukturen verwendet, da sie exzellente gewichtsspezifische Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen. Schwachpunkte der Sandwichstrukturen sind die Lasteinleitungsstellen, da der Kern die lokal eingeleiteten Kräfte weder aufnehmen noch in die dünnen Deckschichten übertragen kann. Daher werden sogenannte Inserts eingesetzt. Dabei handelt es sich um vollzylindrische Einsätze mit Gewinde, die in Aussparungen in den Kern geklebt werden. Eine Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit dieser Verbindungsstellen wird durch eine Vergrößerung des Durchmessers des Inserts oder der Klebstoffmasse erreicht. Darüber hinaus bietet die hohe Gestaltungsfreiheit additiver Fertigungsverfahren das Potenzial das Gewicht der Verbindungsstellen zu reduzieren. Eine Möglichkeit ist es die klassischen Inserts durch Inserts mit Hohlräumen im Inneren oder durch Inserts mit einer anderen Kontur zu ersetzen. Des Weiteren wird durch additive Fertigung eine direkte Integration lastpfadoptimierter Inserts in die Kernstruktur ermöglicht. Die Auswirkung einer Formänderung und einer direkten Integration des Inserts in den Kern mit Hilfe numerischer Optimierungen werden in experimentellen Untersuchungen detailliert analysiert.
Johann Schwenke, Tobias Hartwich, Dieter Krause

Prozesskette und Geschäftsmodelle für die Additive Fertigung

Frontmatter

Verbesserung der Klebeignung von Polypropylen durch additiv gefertigte Oberflächenstrukturen und Multi-Material-Druck

Zusammenfassung
Additive Fertigungsverfahren eignen sich unter anderem aufgrund zunehmender Materialvielfalt und gesteigerter Prozesssicherheit mittlerweile für die Herstellung von Endprodukten. Hohe Bauteilkosten im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren machen es erforderlich, nur diejenigen Strukturen additiv zu fertigen, bei denen die Potenziale, wie Leichtbau oder Funktionsintegration, auch nutzbar sind. Dies macht eine Integration additiv gefertigter Bauteile in bestehende Baugruppen erforderlich. Das Kleben stellt durch eine hohe Gestaltungsfreiheit der Fügeflächen, Toleranzausgleich und der Fügbarkeit unterschiedlicher Materialgruppen eine geeignete Technologie zum Fügen additiv gefertigter Bauteile dar. Allerdings lassen sich einige Kunststoffe wie Polypropylen ohne Vorbehandlungsmaßnahmen nicht kleben.
Die Gestaltungsfreiheiten der additiven Fertigung, wie die Erzeugung hinterschnittiger Strukturen oder der Multi-Material-Druck, erlauben hingegen eine gezielte Gestaltung der Fügefläche, um eine Klebbarkeit zu erreichen. In diesem Beitrag werden für das FDM-Verfahren Maßnahmen zur Erreichung einer Klebeignung für Polypropylen experimentell anhand von Zugscherversuchen untersucht und bewertet. Neben mechanischen Verankerungsstrukturen wird das Andrucken einer Fügefläche aus einem klebbaren Material erforscht.
Hagen Watschke, Hakon Gruhn, Vitali Fischer, Thomas Vietor

Laseradditive Fertigung dünnwandiger Magnesiumbauteile

Zusammenfassung
Die laseradditive Verarbeitung metallischer Pulverwerkstoffe ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Geometrien, deren mechanische Eigenschaften mit denen gegossener Bauteile vergleichbar sind. Während viele Werkstoffe bereits industriell etabliert sind, gehört die laseradditive Verarbeitung von Magnesiumlegierungen zum Stand gegenwärtiger Untersuchungen. Aufgrund der hohen Biokompatibilität, Bioresorbierbarkeit und geringen Dichte sind Magnesiumlegierungen besonders in den Bereichen Medizintechnik und Leichtbau von Bedeutung.
In vergangenen Forschungsarbeiten sind vor allem Belastbarkeit, Korrosionsverhalten oder die Bauteildichte von Volumenkörpern untersucht worden. Da im Bereich Medizintechnik häufig filigrane Implantate, z. B. für Stentstrukturen erforderlich sind, werden in der vorliegenden Arbeit Ergebnisse zum laseradditiven Aufbau dünnwandiger Strukturen aus der Magnesiumlegierung WE43 vorgestellt. Hierzu wird der Einfluss der Eingangsgrößen Laserleistung (25–100 W), Scangeschwindigkeit (200–2000 mm/s) und Schichtstärke (20, 30 und 50 μm) auf die Wandstärke der Hohlkörper und die Porenausbildung dargestellt. Die Evaluierung erfolgt anhand von metallografischen Schliffen. Im Rahmen der Entwicklungen konnten minimale Wandstrukturbreiten von bis zu 45 μm erzielt werden.
Yvonne Wessarges, Christian Hoff, Jörg Hermsdorf, Dietmar Kracht

Formschlüssige multimaterielle Additive Fertigung zur Realisierung funktionsintegrierter Hybrid-Bauteile

Zusammenfassung
Im Zusammenhang mit additiven Fertigungssystemen werden regelmäßig die Möglichkeiten zur Individualisierung von Bauteilen oder zur Funktionsintegration genannt. Jedoch beschränken sich solche Systeme auf einen Werkstoff beziehungsweise auf eine Werkstoffklasse pro Herstellungsprozess. Vor allem in Bezug auf Funktionsintegration kann diese Beschränkung zu unzureichenden oder nicht realisierbaren Teilfunktionen führen, da der jeweilige Werkstoff nicht die geforderten Eigenschaften besitzt. Gleichzeitig stellt sich die Verbindung mehrerer Werkstoffklassen in einem Herstellungsprozess als herausfordernd dar, da eine stoffschlüssige Verbindung nur im jeweils flüssigen Zustand möglich ist, die Werkstoffe aber dafür zu unterschiedliche Bindungsarten besitzen.
Das Ziel dieses Beitrages ist es, die Umsetzung der Multimaterialfertigung mithilfe formschlüssiger Verbindungen zu beschreiben. Dabei wird auf kompatible additive Fertigungsanlagen eingegangen und mögliche Werkstoffverbindungen evaluiert. Weiterhin werden Hohlraumgeometrien untersucht, die zum Formschluss führen sollen und deren Dimensionen spezifiziert und gemäß der Belastungen optimiert. Als Ergebnis besteht eine Übersicht über die Möglichkeiten zur multimateriellen Fertigung und den dazu passenden Geometrien.
Georg Leuteritz, Svenja Schudak, Markus Rohling, Roland Lachmayer

Design und Simulation einer planaren GRIN Linse zur Kopplung von Licht in einen Wellenleiter

Zusammenfassung
Photonische integrierte Schaltungen (PICs) sind elektronischen Schaltungen bezüglich Datenübertragungsrate und elektromagnetischer Verträglichkeit überlegen. Obwohl sich einige Forschungsgruppen mit dem Drucken optischer Wellenleiter und der Integration von Strahlquellen auf das Substrat beschäftigen, ist die vollständige Integration von PICs noch nicht gelungen. Effiziente Lichtkoppler sind eines der fehlenden Elemente bei dieser Integration. Das Hauptproblem von konventionellen integrierten Kopplungsmethoden ist die niedrige Kopplungseffizienz. Als Lösungsansatz wird hier die additive Fertigung multischichtiger Gradient-Index-Linsen (GRIN-Linse) aus optischen Photopolymeren als Koppler dargestellt. Das Design aus mehreren Schichten ist prädestiniert zum Aufbau in einem Verfahren der additiven Fertigung und bietet somit ein hohes Maß an Integrationsoptionen. Die optischen und räumlichen Parameter der Struktur werden mittels Zemax optimiert und so ausgelegt, dass das Licht von der Strahlquelle in den gedruckten optischen Wellenleiter gekoppelt wird.
Hossein Salmani Rezaei, Christian Zander, Gerrit Hohenhoff, Oliver Suttmann, Stefan Kaierle, Ludger Overmeyer

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