Forum AM Wissenschaft II

MITTWOCH, 23. Juni 2021

Ort: CongressCenter, 3. OG, Raum Panoramasaal

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08:30 - 09:00
Check-In
09:00 - 09:45

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist geprägt von kleinen Stückzahlen, höchsten Sicherheitsanforderungen und wie kaum eine andere Branche von der Notwendigkeit, Gewicht zu sparen. Jede s reduzierte Kilogramm Gewicht spart bis zu 3 kg Co2 – und das täglich. Auch die kurzfristige Versorgung mit Ersatzeilen ist eine Herausforderung. Damit ist die Luftfahrtindustrie ideal für die Einführung von Bauteilen, welche topologisch optimiert und in 3D Druck Verfahren hergestellt werden. Seit über 10 Jahren werden Teile von konventionellem Design und konventioneller Fertigung in additiven Verfahren umgestellt. Die Ergebnisse sind eindeutig: Bauteile werden leichter, kleiner und können mehr Funktionen in sich integrieren. Trotzdem geht der Umstellungsprozess nur schrittweise voran. Das hat mehrere Ursachen und beginnt vor allem mit dem Anspruch an höchste Sicherheit. Bei bestehenden Design- und Produktionsverfahren liegen alle Qualifikationen vor, welche für die geforderte Sicherheit der Bauteile erforderlich sind. Für den 3D Druck stehen wir leider noch am Anfang und investieren sehr viel Zeit und Energie in Prozessqualifizierungen. Wir müssen sicherstellen, dass die inneren Strukturen und die Oberflächen allen Anforderungen für einen dauerhaften, sicheren Betrieb garantiert erfüllen. Parallel arbeiten wir natürlich weiter an der Optimierung der Prozesse, an neuen Materialkombinationen und Designverfahren denn wir sind sicher: 3D Druck wird für das klimaneutrale Flugzeug der Zukunft unabdingbar sein.

Volker Thum | BDLI Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie e.V.

Volker Thum, Hauptgeschäftsführer

Volker Thum übernahm 2015 die Position des Geschäftsführers des Bundesverbands der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie. Zuvor war er 25 Jahre bei AIRBUS tätig. Er hatte verschiedene Aufgaben in den Bereichen Produktion, Finanzen und Beschaffung in Deutschland und Frankreich. Vor seinem Wechsel zum BDLI leitete er ab dem 1. Januar 2013 das AIRBUS-Werk in Bremen, nachdem er seit Ende 2008 für den AIRBUS Aero structure Procurement verantwortlich war. Seine bisherigen Aufgaben: AIRBUS General Procurement und Facility Management 2007/2008, Rumpfproduktion in Deutschland 2006/2007, AIRBUS Cost Center Controlling von 2002 bis Ende 2005.

Volker Thum freut sich mit seiner internationalen und multifunktionalen Erfahrung die Deutsche Luft- und Raumfahrtindustrie als Hauptgeschäftsführer des Verbandes in Berlin zu unterstützen.

09:45 - 10:15
Kaffeepause & Besuch der Ausstellung
Session 1
10:15 - 10:45

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.

Daniel Huber | Institut für Technologien der Metalle, Lehrstuhl für Werkstofftechnik, Universität Duisburg-Essen

Daniel Huber untersucht im Rahmen einer Industriepromotion im Additive Manufacturing Campus der BMW Group das Potenzial der Binder Jetting Technologie für den Einsatz in den vielfältigen Anwendungsbereichen im automobilen Umfeld. Unter der Betreuung von Prof. Dr.-Ing. i.R. Alfons Fischer liegt der Fokus der Untersuchungen auf den Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen Rohmaterial, Fertigungsprozess und resultierendem Gefüge sowie mechanischen Eigenschaften. Im Jahr 2017 schloss Daniel Huber sein Masterstudium Maschinenwesen an der Technischen Universität München mit Studienschwerpunkt Fertigungstechnik und einer Masterthesis im Bereich der In-situ Prozessüberwachung beim L-PBF Prozess ab.

10:45 - 11:15

Seit einigen Jahren ist die Bedeutung der Gasströmung in L-PBF 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.

Dr. Wilhelm Meiners | Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH

Dr. Wilhelm Meiners

11:15 - 11:45

Die Verwendung von kostengünstigem und wenig fließfähigen 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 laserbasierte Pulverbettschmelzverfahren (LPBF). Die vorliegende Arbeit

adressiert die lichtbezogenen Phänomene, die zu der gezielten Entladung

oder dem Ladungserhalt am Fotoleiter führen. Für experimentelle Untersuchungen

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 LPBF-Anlage zu identifizieren sowie Randbedingungen

abzuleiten.

Julia Förster | Fraunhofer IGCV

03/2019 - heute: Wissenschaftliche Mitarbeiterin Fraunhofer IGCV, Augsburg
09/2016 - 02/2019: Zulassungs- und Testingenieurin für Brandschutzprodukte Hilti Entwicklungsgesellschaft mbH, Kaufering
04/2012 - 07/2015: Masterstudium Maschinenbau Universität Paderborn
10/2007 - 03/2012: Bachelorstudium Wirtschaftsingenieurwesen Universität Paderborn

11:45 - 12:15

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. 

Karim Asami | iLAS Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik, Technische Universität Hamburg

Karim Asam - Kurzvita:

  • 02/2020 - 08/2020: Werkstudent Additive Academy Fraunhofer IAPT
  • 10/2016 - 08/2020: Master of Science Theoretischer Maschinenbau
  • 09/2018 - 06/2019: Werkstudent im Projektmanagement & Offshore Sales, Senvion
  • 08/2017 - 01/2018: Auslandssemester: San Diego State University
  • 10/2011 - 09/2016: Bachelor of Science Maschinenbau
12:15 - 12:45
Mittagspause und Besuch der Ausstellung
Session 2
12:45 - 13:15

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit Hilfe von künstlicher Intelligenz ungeplante Ausfälle metallbasierter additiver Fertigungssysteme (LBM-Systeme, Laser Beam Melting) 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 LBM-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.

Daniel Beck | Bionic Production GmbH

10/2020 - heute: Geschäftsführer Bionic Production GmbH
04/2015 - 09/2020: Head of global Service & After Sales, SLM Solutions Group AG, Lübeck
03/2012 - 03/2015: Director International Markets, Head of Division, Rothenberger Gruppe - Kelkheim
02/2008 - 02/2012: Geschäftsführer, China Management Board, Würth Industry China - Shanghai
11/2006 - 02/2008: Key Account Manager, Regionalvertriebsleiter, Würth Industry China - Shanghai
10/2005 - 10/2006: Würth Industrie Service GmbH & Co. KG, Bad Mergentheim

13:15 - 13:45

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 gedruckte Proben (in 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.

Joachim Brinkmann | Hochschule Trier, Institut für Betriebs- und Technologiemanagement (IBT)

Joachim Brinkman - Kurzvita:

  • 02/2019 - heute: Institut für Betriebs- und Technologiemanagement, Projektmanager
  • 03/2020 - heute: Technische Universität Kaiserslautern - Hochschule Trier, Doktorand
  • 03/2015 - 12/2017: Umwelt Campus Birkenfeld, Masterstudium Umweltornientierte Energietechnik
  • 09/2009 - 02/2015: Hochschule Kaiserslautern, Bachelorstudium Maschinenbau
13:45 - 14:15
Kaffeepause & Besuch der Ausstellung
14:15 - 14:45

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 Bindemitteln, wie Polyvinylalkohol (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.

Dr. Lisa Kühnel | TU Bergakademie Freiberg, Chair of Additive Manufacturing

Dr. Lisa Kühnel

14:45 - 15:15

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur systematischen Bewertung der materialspezifischen humantoxischen Gefährdung bei der Anwendung additiver Fertigungsverfahren entwickelt. Dafür werden einerseits die Be-standteile 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.

Alexander Mahr | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alexander Mahr

15:15 - 15:45

Das Ziel des ZIM-Forschungsvorhabens „4-Achs-FLM-Verfahren (ZF4104910

PO8)“ war es eine Fertigungsanlage sowie ein Verfahren zu entwickeln, um sowohl rotationssymmetrische als auch -asymmetrische Bauteile mittels extrusionsbasierter Additiver Fertigung (extrusion based addtive manufacturing - EAM) zu generieren. Hierbei wurden sowohl thermoplastische als auch merhkomponentige reaktive Materialien verarbeitet.

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-Endloskolbenpumpe 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 wurde so verarbeitet, 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 Materialdatenblatt und auch eine Überprüfung des Vernetzungsgrades mittels FT-IR validiert die Funktionsweise des Zweikomponenten EAM-Verfahrens.

Dr.-Ing. Jens Butzke | Institut für Kunststofftechnik Darmstadt (ikd)

Dr.-Ing. Jens Butzke

15:45 - 16:15

Die Praesentation stellt die Moeglichkeiten und Herausforderungen der Integration der AM-Technologie in das Boeing 777X Folding Wingtip System anhand eines Hydraulikaktuators dar.
Die Fallstudie zeigt, wie Liebherr Herausforderungen wie thermische Spannungen in der Produktion, Druckabfaelle im Betrieb, Oberflaechenbehandlung und Verschleißeoberflaechen von Titanaktuatoren begegnet.

Darüber hinaus wird ein Ausblick auf die Herausforderungen der Technologie und die Umsetzung hochintegrierter Komponenten in die Serienfertigung gegeben.

Alexander Altmann | Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH
16:15
Ende

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Dienstag, 22. Juni 2021

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