Promotionen

Die Arbeit umfasst die Erforschung und Entwicklung einer prozessbegleitenden, adaptiven, softwarebasierten und flexibel für Laser-Remote-Scanner anpassbaren Korrekturmethode und eines Sensorkonzepts zur Stabilisierung der Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung und damit der Einhaltung des vorgegebenen Laserstrahldurchmessers und der prozessrelevanten Intensitätsverteilung an der Wirkstelle bei der Lasermaterialbearbeitung, wie dem Laserstrahlschneiden, -schweißen und -abtragen sowie dem selektiven Laserstrahlschmelzen (3D-Druck). Die mit dieser Arbeit entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung ist vorzugsweise für fasergebundene Laser-Remote-Scanner mit Linsenoptiken für hohe Laserleistungen ausgelegt und bietet den Anwendern C++-codierte Korrekturalgorithmen, die in die Scannersteuerung implementierbar sind und die das mit dieser Arbeit entwickelte ABCD-Fokusmodell zur verbesserten Einstellung der Soll-Prozessfokuslage gegenüber linearen Fokusmodellen sowie die matrizenoptik-, raytracing- und PID-regelkreisbasierte aktive Korrektur des Fokus-Shifts beinhalten.

Die entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung wurde am Beispiel des vorgegebenen und an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) entstandenen 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems „Dragon“ zur Überprüfung der Wirkung eingesetzt und simulativ erprobt. In der Umsetzung wurden passive und aktive Analyse- und Korrekturmethoden des Fokus-Shifts recherchiert, ihre Eignung für das 30-kW-Laser-Remote-Scannersystem „Dragon“ analysiert und bewertet und die Ergebnisse tabellarisch aufgeführt. Weiterhin wurden die Zusammenhänge der herausgearbeiteten Problemstellungen zur Erfüllung der daraus festgelegten Zielstellung mit den abgeleiteten Teilzielen erforscht. Dazu wurden der Einfluss der Thermischen Linse und der Umgebungsgrößen auf den Fokus-Shift untersucht. Außerdem wurden die zur Thermischen Linse führenden thermischen Effekte (thermo-optischer Effekt, spannungs-optischer Effekt, End-Effekt) beschrieben und die mathematische Modellbildung der Thermischen Linse auf der Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) umgesetzt. Zusätzlich wurden eine Sensorintegration und eine mathematische Modellbildung der Brechzahl der Luft durchgeführt, um die prozessbegleitend gemessenen Umgebungsgrößen zur direkten Anpassung der Korrekturalgorithmen zu erfassen und in die Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung einzubinden. Abschließend wurde auf der Basis der Matrizenoptik (ABCD-Matrizen) die Möglichkeit geschaffen, das optische Gesamtsystem mathematisch und kompakt zu beschreiben und somit die computergestützte Berechnung zu beschleunigen.

Im Ergebnis der Erforschung und Entwicklung können mit dem mit dieser Arbeit entwickelten ABCD-Fokusmodell die Einstellung der Soll-Prozessfokuslage des 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems „Dragon“ bis zu einer Größenordnung gegenüber dem bislang genutzten linearen Fokusmodell verbessert und der Fokus-Shift aktiv durch die Erweiterung mit einem zeitdiskreten PID-Regelkreis minimiert, die Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung stabilisiert und damit der vorgegebene Laserstrahldurchmesser und die prozessrelevante Intensitätsverteilung an der Wirkstelle wirkungsvoll eingehalten werden.

Die Zielgruppe sind Lasersystemtechnikentwickler, -hersteller und -integratoren, Anwender in der Lasermaterialbearbeitung sowie wissenschaftlich und technisch Interessierte.

Laseradditiv hergestellte Bauteile zeichnen sich durch eine geometrisch freie Gestalt aus, bedürfen jedoch aufgrund ihrer rauen Oberflächen einer Nacharbeit. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines innovativen Fertigungsverfahrens, das die laseradditive mit der lasersubtraktiven Fertigung kombiniert, um dieser Herausforderung zu begegnen. Die Ergebnisse belegen, dass die Nachbearbeitung durch Laserstrahlabtragen die Maßhaltigkeit und die Oberflächengüte additiv aufgebauter Strukturen verbessert. Eine Prozessdemonstration zur Herstellung von Stanzwerkzeugen zeigt die technischen und wirtschaftlichen Vorteile gegenüber der konventionellen Fertigung. Zukünftig bietet die Integration beider Laserverfahren weiteres Automatisierungspotenzial.

Diese Dissertation untersucht das Potenzial von Metal Binder Jetting (MBJ) für die Herstellung patientenspezifischer medizinischer Implantate. Sie analysiert die Integration von MBJ in bestehende MIM-Prozessketten zur Steigerung der Kosteneffizienz und Fertigungsflexibilität. Ein Schwerpunkt liegt auf der Optimierung der Pulverkonditionierung und Aushärtungsstrategien für Titanpulver, insbesondere Ti-6Al-4V. Die Arbeit zeigt, dass verbesserte Fließeigenschaften und Grünteilfestigkeit entscheidend zur Prozessstabilität beitragen. Zudem wird das Recycling von Titanpulver als Schlüssel zur nachhaltigen und wirtschaftlichen Nutzung der Technologie bewertet.

Die Arbeit soll darüber Aufschluss geben, wie die Qualität des Pulverbetts erfasst und ausgewertet werden kann und wie dies Rückschlüsse auf die Prozessfähigkeit im Pulverschichtauftrag und die resultierende Fertigungsqualität im Herstellungsprozess erlaubt. Innerhalb der dafür durchgeführten Forschungsarbeit wurde ein Streifenlichtprojektionssystem für die 3D-topographische Erfassung des Pulverbetts und ein Prüfstand für die hersteller- und anlagenunabhängige Abbildung der gängigen Schichtauftragsprozesse im selektiven Laserschmelzen entwickelt. Mithilfe eines mehrstufigen methodischen Ansatzes zur Verarbeitung und Analyse der hochauflösenden Bilddaten des Pulverbetts konnten die vielfältigen charakteristischen Eigenschaften der Pulverbettoberfläche anhand von verschiedenen Fehlerbildern im Schichtauftrag identifiziert, klassifiziert und bewertet werden. Auf Grundlage dieser Pulverbettanalytik wurde ex-situ auf dem Prüfstand eine vollfaktorielle Untersuchung der prioritären Prozessparameter im Pulverschichtauftragsprozess (Auftragsprinzip, Auftragselement, Auftragsgeschwindigkeit, Pulverschichtdicke) durchgeführt, um die Auswirkungen der unterschiedlichen Stellgrößen wissenschaftlich zu untersuchen.

Anhand der Ergebnisse der Analyse wurde ein Parameterfenster identifiziert, welches eine höhere Prozessfähigkeit und damit letztlich eine gesteigerte Produktivität im Prozess bewirken kann. Die identifizierten Parameterfenster wurden im Anschluss durch In-situ-Versuche vollfaktoriell untersucht und die Ergebnisse durch nachgelagerte Prüfungen der gefertigten Probekörper validiert. Der ganzheitliche Ansatz der entwickelten Messtechnik zur Pulverbettüberwachung und die automatisierte Auswertung der Messdaten wurden abschließend auf die Übertragbarkeit in den industriellen Maßstab im Rahmen einer Potenzialanalyse betrachtet und bewertet. Es konnte für die Nutzer und Hersteller von Anlagentechnik des selektiven Laserschmelzens von Metallen nachgewiesen werden, dass die Prozessfähigkeit des Pulverschichtauftrags in unterschiedlichem Maße in Abhängigkeit der prioritären Stellgrößen im Auftragsprozess steht und gewissen Trends folgt, die in vorteilhafter Weise für die Ausgestaltung des Prozesses genutzt werden können. Hierfür wurden im Rahmen der Untersuchungen für die Aluminiumlegierung AlSi10Mg mehrere Prozessparameterkombinationen für eine erhöhte Produktivität und einen stabilen Prozess validiert. Zudem wurde als Ergebnis der Potenzialanalyse die Eignung der Streifenlichtprojektion als Messtechnik für die Pulverbetterfassung und prozessbegleitende Überwachung im industriellen Maßstab aller heutigen Anlagengrößenklassen von PBF-LB/M-Anlagentechnik demonstriert.

(Im Original Englisch)

In this doctoral thesis, the influence of increased particle size distributions (PSD) of up to 20-125 μm in laser-based powder bed fusion (LPBF) for aluminium and titanium alloys is investigated. Larger PSDs are generated and analysed regarding their powder properties, LPBF behaviour, required process parameter adjustments, and resulting mechanical properties. By adapting process parameters, the processability of Ti-6Al-4V is ensured, achieving mechanical properties comparable to industrial standards. Atomization yield increases by 44 %, while material costs are reduced by 20 %.

(Im Original Englisch)

This book provides an in-depth exploration of process planning steps required for Directed Energy Deposition (DED) processes and their automation during the data preparation stage. DED is a resource-efficient, tool-less manufacturing method with high deposition rates and larger build volumes. Their flexibility, enabled by 6-axis industrial robots, allows fabrication of complex geometries, but poses challenges in data preparation and build strategy definition due to software limitations and lack of standards. This thesis thereby deals with the development of a STEP file format-based slicing framework with toolpath generation algorithms specific to build geometries clustered under six categories. Thin-wall components cluster, an important part category in the aerospace sector, is being further examined because of its industrial relevance.

Die laseradditive Fertigung unterliegt nur wenigen geometrischen Beschränkungen, so dass sich komplett neue Konstruktionen mit hoher geometrischer Komplexität realisieren lassen, die mit herkömmlicher Fertigungstechnik nicht gefertigt werden könnten. Eine der Anwendungen, in denen das Verfahren zum Einsatz kommt, ist der Spritzgusswerk­zeugbau. Im Rahmen der Arbeit werden laseradditiv gefertigte Werkzeugformen und deren Konstruktionsweisen untersucht, um die Eigenschaften und die Einflüsse auf den Spritzgussprozess zu analysieren und hieraus Potentiale zur innovativen Werkzeugauslegung abzuleiten. Hierzu werden drei Temperierarten miteinander verglichen und verschiedenen Analysen unterzogen. Zum einen die auf spanender Fertigung basierende Werkzeugtemperierung, sowie die Nutzung innovativer konturnaher Temperierkanalsysteme. Darüber hinaus wurde eine Temperierung mit einem wasserdurchströmten Temperierhohlraum entwickelt und zum Einsatz gebracht, die den theoretischen physikalischen Anforderungen an eine gleichmäßige und effektive Temperierung am nächsten kommt. Aus den Untersuchungsergebnissen werden zum Ende der Arbeit Herangehensweisen und Potentiale für die Konstruktion innovativer Temperiersysteme abgeleitet.

Diese Arbeit präsentiert eine praxisnahe Forschungsarbeit zur Entwicklung eines akustischen Monitoringsystems für das Laser‑Pulver‑Auftragschweißen (LPA). Ausgangspunkt ist die Problematik kritischer Defekte (Risse, Delamination) beim materialheterogenen Auftragschweißen und die Frage, welche Sensorik verlässlich zur frühen Defekterkennung und Prozesssteuerung eingesetzt werden kann. Mit Hilfe einer systematischen Bewertung von 34 Sensorkonfigurationen wurde ein Monitoringsystem auf Basis von akustischen Luftschallemissionen als robustes, flexibles und kosteneffizientes Messverfahren mit hohem Entwicklungspotential identifiziert. Das entwickelte Monitoringsystem gliedert sich in zwei Teilsysteme: Teilsystem I analysiert zeit‑ und frequenzaufgelöste akustische Prozessemissionen mittels Richtmikrofon. Transiente Ereignisse — charakteristisch bei etwa 12 kHz — werden über Short‑Time‑Fourier beschrieben; gezielte Filter heben relevante Signale heraus. Als messbare Qualitätsgröße dient der Delaminationsgrad, für den eine signifikante Korrelation zur Zeit bis zum Auftreten starker transienter Ereignisse nachgewiesen wird, sodass kritische Defekte identifizierbar sind. Teilsystem II ermöglicht die ortsaufgelöste Zuordnung dieser akustischen Ereignisse im Bauraum. Das Laufzeitunterschied‑Verfahren mit einer kreisförmigen Anordnung von sechs Sensoren und dem Differenzquadrat‑Verfahren erbringt die beste Lokalisierungsleistung. Beide Teilsysteme wurden unter realen Prozessbedingungen validiert, iterativ optimiert und in eine Prozesskammer für ein LPA-System integriert. Das Buch richtet sich an Forscher und Anwender in der additiven Fertigung: Es beschreibt Konzeptentwicklung, Signalverarbeitung, Validierung und industrielle Relevanz eines In‑Prozess‑Monitoringssystems, das frühzeitige Defekterkennung, gezielte Prozesssteuerung und damit signifikante Einsparungen bei Zeit und Kosten ermöglicht.