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Über dieses Buch

Dieses Buch behandelt die additive Produktion mit dem Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA), welche eine wirtschaftliche und insbesondere ressourcenschonende Alternative zu konventionellen Produktionstechnologien für die Luftfahrt darstellt. Die vorliegende Arbeit zeigt für dieses Verfahren eine neuartige Prozessstrategie auf, um komplexe Bauteilgeometrien mit definierter Maßhaltigkeit und den luftfahrtspezifischen Anforderungen entsprechend herzustellen. Hierfür wird eine erfahrungswissensunabhängige Prozessparameteridentifikation entwickelt, die mittels eines genetischen Algorithmus eine geeignete Prozessstrategie innerhalb der konkurrierenden Zielsetzungen identifiziert. Abschließend wird das konsolidierte Prozessmanagement in der industriellen Prozesskette an einem Luftfahrtbauteil demonstriert und die Ressourceneffizienz sowie das Kostenpotenzial der LPA-Prozesskette werden bewertet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung und Motivation

Zusammenfassung
Aufgrund der stetig wachsenden Weltbevölkerung, des zunehmenden Wohlstandsniveaus sowie der gleichzeitig voranschreitenden Entwicklung der globalen Märkte erfährt der Bedarf an individuellen, interkontinentalen Mobilitätslösungen seit Jahrzehnten einen bedeutenden Anstieg. Im Bereich der Luftfahrt führt diese Entwicklung zu einem stetig ansteigenden Passagieraufkommen von ca. 7 % p.a. im Flugverkehr [BDG17] und zu einer vermehrten Nachfrage nach Luftfahrzeugen. Die limitierte Verfügbarkeit der benötigten Rohstoffe sowie der verwendeten Energieträger verstärkt den Bedarf an effizienten Flugzeugen sowie technologischen Innovationen für deren ressourcenschonende Herstellung und deren Betrieb. Das Ziel für die globale Luftfahrt besteht darin, die Menge der luftfahrtbedingten Kohlenstoffdioxidemissionen aus dem Referenzjahr 2005 bis zum Jahr 2050 um mehr als 50 % zu reduzieren [Int19].
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 2. Stand von Wissenschaft und Technik

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt einführend die additive Fertigung und bietet eine kurze Einordnung der verwendeten Terminologie für das Laser-Pulver-Auftragschweißen. Nachfolgend werden die grundlegende Prozessführung, die Einordnung des Verfahrens in die Produktionsprozesskette sowie die erforderlichen werkstofftechnischen Grundlagen vorgestellt. Weiterführend wird aufbauend auf der begrifflichen Definition von Qualität und Qualitätsmanagement ein kontextueller Rahmen geschaffen, in dem die Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile formuliert werden können.
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 3. Forschungsbedarf und Lösungsweg

Zusammenfassung
Im Folgenden werden, aufbauend auf dem erläuterten Stand von Wissenschaft und Technik, der bestehende Forschungsbedarf erarbeitet und eine detaillierte Zielsetzung sowie der zugehörige Lösungsweg für diese Arbeit abgeleitet.
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 4. Prozess- und Anlagentechnologie

Zusammenfassung
In Abschnitt 2 sind die grundlegenden Wirkprinzipien sowie die wesentlichen Randbedingungen des LPA-Verfahrens aufgezeigt worden. Neben diesen Faktoren wird die Ergebnisqualität insbesondere durch die gewählte Anlagen- und Systemtechnologie beeinflusst. Um diesen Einfluss zu bestimmen, werden in diesem Kapitel die verwendeten Systemtechnologien aufgezeigt.
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 5. Anlagensystemtechnische und prozessuale Einflussfaktorenbewertung

Zusammenfassung
In dem folgenden Abschnitt werden die grundlegenden Einflussfaktoren für die Bauteilqualität im LPA-Prozess identifiziert. Darauf aufbauend erfolgt eine Untersuchung der Anlagensystemtechnik, um die Prozessrandbedingungen zu untersuchen und etwaige Störeinflüsse auf den Prozess zu beschränken. Die ermittelten Einflussfaktoren sowie die Eigenschaften der Anlagensystemtechnik bilden die Basis für die weiterführenden Untersuchungen.
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 6. Bewertung der qualitätsrelevanten Ergebnisgrößen

Zusammenfassung
In diesem Abschnitt wird einleitend eine Vorgehensweise zur Parameterexploration aufgezeigt, die in der Folge für eine erfahrungsunabhängige Prozessparameteridentifikation verwendet werden kann. Auf der Grundlage dieser Methode wird ein initialer Parametersatz für das LPA-Verfahren definiert, um die in Kapitel 3 aufgezeigten luftfahrtrelevanten Eigenschaften zu untersuchen sowie deren Abhängigkeit von der Aufbauhöhe zu bewerten (siehe Abbildung 6.1 (a)). Zu diesem Zweck werden Wandstrukturen gefertigt und für die experimentellen Untersuchungen präpariert (siehe Abbildung 6.1 (b)).
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 7. Qualitätszielorientierte Prozessstrategieentwicklung

Zusammenfassung
Für den zukünftigen Einsatz des LPA-Verfahrens in der additiven Prozesskette zur Herstellung von Luftfahrtbauteilen ist in den vorangegangenen Abschnitten der Grundstein gelegt worden. Dabei sind zum einen die anlagensystemtechnischen und prozessualen Einflussfaktoren untersucht und Grenzwertbereiche für diese Faktoren definiert worden, um eine reproduzierbare Prozessführung zu gewährleisten (vergleiche Abschnitt 5). Zum anderen sind die qualitätsrelevanten Ergebnisgrößen im Kontext der luftfahrtspezifischen Anforderungen bewertet und deren Einhaltung belegt worden (vergleiche Abschnitt 6).
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 8. Validierung in der industriellen Prozesskette

Zusammenfassung
Auf Basis der Erkenntnisse des vorangegangenen Abschnitts werden die Ergebnisse des Fertigungsprozessmanagements innerhalb der industriellen Prozesskette an einem Luftfahrtbauteil validiert. Zu diesem Zweck werden die in den Abschnitten 5 bis 7 identifizierten Randbedingungen für eine reproduzierbare Prozessführung fixiert und die erarbeiteten Elemente des Fertigungsprozessmanagements angewandt. Die in Abschnitt 2.2.3 aufgezeigte Prozesskette ist im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt worden (siehe Abbildung 8.1).
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 9. Ressourceneffizienz und Kostenpotenziale in der additiven Fertigung

Zusammenfassung
Nachhaltigkeit ist in der Literatur ein umfangreich diskutierter Ausdruck, daher sei für eine weitergehende Auseinandersetzung auf die vielfältige Lektüre verwiesen [Dre08, GK12, Her10, Mat13, Puf14]. An dieser Stelle soll der konstitutive Rahmen für die Definition eines nachhaltigen Handelns erörtert werden, der in dieser Arbeit die Grundlage für ein quantitatives Bewertungskonzept verschiedener Produktionsverfahren bildet. Zu diesem Zweck wird aus der Begriffsgenese eine quantifizierbare Zielbeschreibung für die Bewertung der Nachhaltigkeit der additiven Fertigung abgeleitet und eingeordnet.
Mauritz Leander Birger Möller

Kapitel 10. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
In Verbindung mit innovativen Leichtbaukonstruktionen stellt der Einsatz von hochfesten Werkstoffen, wie der untersuchten Titanlegierung, einen Beitrag zur Lösung der globalen Mobilitätsherausforderungen dar. Dabei ist die zunehmende Nachfrage im Luftverkehr durch den Einsatz zusätzlicher Flugzeuge zu bewältigen und gleichzeitig das emissionsneutrale Wachstum der Luftfahrtbranche zu realisieren. Im Betrieb der Luftfahrzeuge wirkt sich die ausgeprägte Widerstandsfähigkeit der hochfesten Werkstoffe positiv aus, wohingegen diese Eigenschaften während der Produktion zu Herausforderungen bei der Bearbeitung führen.
Mauritz Leander Birger Möller

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