Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Fully automated and decentralized fused filament fabrication of ceramics for remote applications
(2024)
Manufacturing of ceramic components in remote (i.e., geographically isolated) settings poses significant challenges where access to conventional manufacturing facilities is limited or non-existent. Fused Filament Fabrication (FFF) enables the rapid manufacturing of ceramic components with complex geometries. Parts formed by FFF require subsequent debinding and sintering to reach full density. Debinding and sintering are typically executed in separate steps with different equipment, necessitating extensive human handling which hinders process automation and may be challenging for the operator in isolated environments. This poster presents an innovative approach: the integration of all process steps into a single, fully automated system, streamlining the process and minimizing human involvement. Our system combines a dual extrusion filament printer with a porous and heat-resistant ceramic print bed. The porous print bed enables mechanical interlocking of the first printed layers, ensuring adhesion and structural integrity during FFF. Ceramic parts are printed onto thin sacrificial rafts, which are built using an interface material with the same binder as the ceramic filament. After the print is completed, the heat-resistant print bed with all parts is transferred seamlessly with a carrier system into a high-temperature furnace for debinding and sintering. During sintering the sacrificial raft is disintegrated, allowing for unconstrained sintering of the ceramic parts and easy removal of the finished parts. In conclusion, our integrated approach enables significant advancements in the fabrication of complex ceramic components in remote environments with increased efficiency and minimal human handling.
Multiphoton lithography (MPL), an emerging microfabrication technique, shows great potential in a variety of applications ranging from tissue engineering to soft micro-robotics. Fabricated micro-objects often are expected to undergo shape morphing or bending. Furthermore, ensuring precise property tuning becomes detrimental for the functionality of MPL microstructures. Herein, we present novel MPL materials based on interpenetrating networks (IPNs), which effectively combine the advantages of acrylate and epoxy thermoset systems. A library of 3D MPL IPN microstructures with high 3D structural stability and tailored thermal and micromechanical properties is achieved. MPL laser velocity and fabrication power can be used to tune the morphology and therefore properties of IPN. New IPN microstructures with materials Young's moduli of 4 to 6 MPa demonstrate susceptibility to deformation with high to fully elastic response. Such soft elastic materials hold immense promise within morphable microsystems, soft micro-robotics and cell engineering applications.
Monitoring of microplastics in food matrices is crucial to determinate the human exposure. By direct ingestion microplastics could be released in the food during the production, through packaging and by consumer’s use. The absence of standard methods to quantify and detect different size range and type of microplastics has led to difficult and time consuming procedural steps, poor accuracy and lack of comparability. In this work, matrix characterization and laboratory experiments were used to investigate the efficiency of sample preparation in milk powder. This information is crucial to compile a standard procedure for sample preparation and digestion of common milk powder to detect different particle sizes and types of polymers. Charaterisation is done by TGA and TOC measurements.
Microplastic and nanoplastic particles (MNP) are spread all over the world in various types, shapes and sizes making it very challenging to accurately analyse them. Each sampling procedure, sample preparation method and detection technique needs suitable reference materials to validate the method for accurate results. Furthermore, the effects of these MNPs should be evaluated by risk and hazard assessment with test particles close to reality. To better understand MNP behavior and aid in clarification of their interactions with organisms, we produced several MNP materials by top-down procedure and characterized their properties. Since surface properties mostly determine particles’ toxicity, the aim of the present study was to determine which functional groups are present on MNPs and how the surface can be affected by the production process and particle’s environment.
This study provides insights into the properties of 316L stainless steel produced by additive manufacturing using fused filament fabrication (FFF). One key finding is particularly noteworthy: in significant contrast to cold-rolled 316L, FFF316L develops a pronounced martensite phase after fabrication. The comprehensive comparative analysis shows that FFF316L not only retains the ferrite volume content, but that this is also significantly influenced by the build-up direction. Despite the sintering process, which typically involves densification of the material, a pore volume fraction of 8.45 % remains, which influences the mechanical properties. Although FFF316L has lower elastic
modulus and tensile strength values compared to cold-rolled 316L, its ductility is still competitive. The study further reveals that deformation-induced martensite forms at the intersections of the deformation twins and ferrite islands form at the grain boundaries during the compression and sintering phases. These findings highlight the challenges associated with FFF316L in specific application fields and signal the need to continue to carefully evaluate and improve the development of manufacturing technologies.
Lithium-ion batteries are a key technology for tackling challenges in energy and climate crisis, but up to 30 % are discarded right after production. Quality is closely related to the homogeneity of the used materials and coatings. Fluorine compounds, both in the polymer and from degradation of the electrolyte, are of special interest for the formation and aging of LIBs. Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) emerged as a fast and convenient method for depth-profiling of battery materials. However, fluorine remains a spectroscopic challenge due to a high excitation energy and only few strong emission lines in the UV/Vis spectral range.
We investigated the partial substitution of argon with neon in the plasma gas. The main emission line at 685.603 nm was monitored by both photo multiplier tube (PMT) with Czerny-Turner monochromator at 20 µm slit-size, and charge-coupled device (CCD) with 1200 lines/mm grating. For calibration, we used a set of hot-pressed copper cylinders with varying calcium fluoride amount fraction, ranging from 1.6 % to 4.4 %. Plasma gas mixtures with a mole fraction of 5 %, 10 % and 20 % neon in argon were used. Sensitivity in comparison to pure argon was increased by factor 4, 7 and 14, respectively. In general, PMT detection was more sensitive than CCD. As expected, sputter rates decreased with higher neon content in the plasma gas. Depth-profiling of the cathodes was performed in pulsed mode at constant voltage and pressure, which resulted in stable plasma conditions. We achieve matrix-independent quantitative information on fluorine distribution by correction based on sputter rates.
This advancement in GD-OES provides a more accurate analytical approach for evaluating the homogeneity of lithium-ion battery materials, potentially leading to more sustainable and cost-effective manufacturing processes.
Im additiven Fertigungsprozess Laser-Pulverbettschweißen wird Metallpulver lagenweise mittels eines Lasers aufgeschmolzen, um Bauteile zu generieren. Hierbei werden die Eigenschaften der Bauteile zu einem großen Teil durch die im Verlauf des Prozesses vorliegenden Temperaturen bestimmt. Dies beinhaltet unter anderem Materialeigenschaften wie Mikrostruktur, Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie die Ausbildung von Defekten wie z.B. Anbindungsfehler, Keyhole-Porosität (Gaseinschlüsse) oder auch die Ausbildung von Rissen. Zur Überwachung bzw. Vorhersage dieser Eigenschaften sowie zum Abgleich von Simulationen ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Temperaturverteilung im Prozess daher von herausragender Bedeutung. In der Industrie kommen optische Verfahren, die auf der Messung der thermischen Strahlung basieren, regelmäßig zum Einsatz. Allerdings dienen diese bislang nur der statistischen Auswertung und der Identifikation von Abweichungen vom Normalprozess. Der quantitativen Auswertung zur Temperaturbestimmung stehen aktuell noch eine Vielzahl von Herausforderungen entgegen. Einerseits stellt der Prozess an sich hohe Anforderungen an die Datenerfassung und -auswertung: der Emissionsgrad verändert sich dynamisch im Prozess und lokale Schmauchbildung sorgt für potenzielle Absorption oder Streuung der thermischen Strahlung oder auch des Fertigungslasers. Weiterhin stellt der hochdynamische Prozess hohe Anforderungen an Orts- und Zeitauflösung der eingesetzten Sensorik (z.B. Kameratechnik). Andererseits erschweren an üblichen kommerziell erhältlichen Fertigungsanlagen praktische Hindernisse wie eine eingeschränkte optische Zugänglichkeit und der fehlende Zugriff auf die Anlagensteuerung sowie fehlende Möglichkeiten der Synchronisation der Messtechnik mit dem Prozess eine eingehende Untersuchung dieser Effekte.
Um letztere Hindernisse zu umgehen, wurde an der BAM die Forschungsanlage SAMMIE (sensor-based additive manufacturing machine) entwickelt. Einerseits bietet das System alle Möglichkeiten, die auch übliche kommerzielle Systeme bieten. Dies beinhaltet die Fertigung ganzer Bauteile (maximale Größe ca. 65mm x 45 mm x 30 mm) und den Einsatz einer Inertgasatmosphäre inkl. gefiltertem Schutzgasstrom. Andererseits bietet es aber auch einen besonders kompakten Bauraum, um die Sensorik möglichst nah an den Prozess führen zu können, sechs optische Fenster zur Prozessbeobachtung aus unterschiedlichen Winkeln und die Möglichkeit der Prozessbeobachtung koaxial zum Fertigungslaser. Des Weiteren besteht eine einfache Austauschbarkeit aller Fenster, Spiegel und Strahlteiler, um den gesamten optischen Pfad der aktuellen Messaufgabe flexibel anzupassen. Die komplette Anlagensteuerung ist eine Eigenentwicklung und bietet daher auch völlige Anpassbarkeit. Eine synchrone und frei konfigurierbare Triggerung diverser Sensoriken und synchrone Datenerfassung bieten maximale Kontrolle über die Sensorsteuerung.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsanlage SAMMIE. Wissenschaftliche Ergebnisse sowie laufende Arbeiten an der Anlage werden in weiteren Beiträgen vorgestellt.
Die metallische additive Fertigung hat in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei dominiert das Laser-Pulverbettschweißen von Metallen (PBF/LB-M) die Fertigung von kleinformatigen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte. Die anspruchsvolle und kostspielige Qualitätssicherung stellt aber weiterhin ein Hindernis für eine breitere und kostengünstigere Anwendung der additiven Fertigung dar. Dies resultiert teilweise aus fehlenden zuverlässigen In-situ-Monitoringsystemen. Belastbarere Prozessüberwachungsdaten würden eine oft erforderliche teure nachgelagerte Prüfung mittels Computertomografie entbehrlich machen. Die Aufzeichnung der thermischen Signaturen des Aufbauprozess mittels Thermografie-Kameras zeigen hier vielversprechende Ergebnisse. Eine Korrelation zu auftretender Porosität, Delaminationen und Deformationen scheinen möglich. Die geringe räumliche Auflösung und die hohen Anschaffungskosten für thermografische Kamerasysteme stehen jedoch einer größeren industriellen Nutzung im Wege.
Ein bereits industriell angewendeter Ansatz zur in-Situ Überwachung des PBF-LB/M Prozesses ist die Optische Tomografie (OT). Hierbei wird die emittierte Prozessstrahlung jeder Bauteilschicht mittels einer hochauflösenden günstigen Kamera für den sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Langzeitbelichtung dokumentiert. Die zeitliche Information der emittierten Strahlung geht hierbei verloren. Der gesamte Bauprozess kann jedoch in einem vergleichsweise kleinen Datensatz dokumentiert werden (ein Bild pro Schicht). Eine direkte Korrelation zu auftretenden Defekten gestaltet sich aufgrund der reduzierten thermischen Informationsdichte jedoch schwierig.
In diesem Beitrag soll deshalb das Prinzip der Multispektralen Optischen Tomografie (MOT) vorgestellt und erste Messergebnisse an der Forschungsanlage SAMMIE diskutiert werden. Bei der MOT handelt es sich um eine Übertragung des Prinzips der Quotientenpyrometrie auf das etablierte Verfahren der Optischen Tomografie. Die auftretende Prozessstrahlung wird in mehreren Wellenlängenbereichen ortsaufgelöst über die gesamte Bauplattform erfasst und zeitlich in einer Langzeitbelichtung integriert. Hierbei kommen günstige Kamerasysteme für den sichtbaren Wellenlängenbereich zum Einsatz.
Das erfasste Signal I jedes Bildpixels für jeden separat erfassten Wellenlängenbereich kann als Maß für das zeitliche Integral der spezifischen Ausstrahlung M des Schmelzbades in diesem Wellenlängenbereich gesehen werden. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die abgestrahlte thermische Leistung P eines idealen Schwarzen Körpers in der vierten Potenz von dessen absoluten Temperatur T ab. Wird nur, wie z.B. bei der klassischen OT angewendet, der nahinfrarote Wellenlängenbereich betrachtet, lässt sich mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz sogar eine Proportionalität zur siebten Potenz der Temperatur zeigen. Deshalb liegt ein starker Einfluss der maximal auftretenden Oberflächentemperatur Tmax auf das erfasste Messsignal vor.
Das erfasste Signal I wird aber auch durch die spektrale Transmission τ der verwendeten optischen Komponenten des Kamera-Setups, z.B. Filter und Objektive, durch die spektrale Sensitivität S der verwendeten Kamera-Sensoren und den nur sehr schwer zu bestimmenden Emissionsgrad ε der emittierenden (flüssigen) Oberfläche beeinflusst.
In einer ersten Näherung wird das Schmelzbad hier als Graukörper, also ein Körper mit wellenlängenunabhängigem Emissionsgrad ε, betrachtet. Basierend auf dieser Annahme und vermessenen optischen Eigenschaften des verwendeten Systems ist es möglich, eine erste Schätzung der maximalen Oberflächentemperatur Tmax vorzunehmen, selbst ohne genaue Kenntnis des tatsächlichen Emissionsgrades ε. Dies wird durch die Anwendung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes und die Quotienten Bildung aus den einzelnen erfassten Signalen I ermöglicht.
Auch bei diesem Verfahren geht die zeitliche Information einer Schicht, also das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Schmelzbades, verloren. Zudem sind die Messergebnisse in Hinblick auf tatsächlich gemessene „maximal auftretende Oberflächentemperatur“ mit gebotener Zurückhaltung zu interpretieren. Trotzdem konnten erste Ergebnisse bereits zeigen, dass die MOT-Daten auch in Bereichen mit Doppelbelichtungen (das teilweise notwendige mehrfache Scannen eines Bereiches mittels des Fertigungslasers) im Gegensatz zur klassischen OT erwartbare Maximaltemperaturen liefern. Abbildung 1 zeigt das erfasste Messergebnis für drei aufeinanderfolgende Schichten eines Bauteils einmal mit MOT (links) und einmal mit einfacher OT (rechts). Deutlich zu erkennen ist das durch die doppelte Belichtung hohe Signal bei der OT. Die Daten der MOT zeigen hier keine erhöhten Werte.
Um die ermittelten Temperaturwerte mittels MOT besser einordnen zu können, sind u.a. vergleichende Messungen an Referenzmaterialien geplant. Um die Auswertung der gemessenen Daten zu verbessern, wird zudem der Zeitverlauf des Abkühlens und Aufheizens des Schmelzbades sowie die Einflüsse von Prozessbeiprodukten wie Schmauch und Spritzer näher untersucht. Auch werden Messungen zum Emissionsgrad ε an additiv gefertigten Proben und Metallschmelzen vorgenommen.
Guaranteeing safety and security of citizens requires a significant effort and innovative tools from national and international agencies and governments, especially when it comes to the field of explosives detection. The need to detect Improvised Explosive Devices (IEDs) and Home-made Explosives (HMEs) at a point of suspicion, has grown rapidly due to the ease with which the precursors can be obtained and the reagents synthesised. The limited availability of immunoanalytical tools for HME detection presents an opportunity for the development of new devices, which enable a rapid detection and recognise the target analyte with high specificity and sensitivity. In this work, we introduce an optical biosensor for highly specific and sensitive HME detection. The immunoassay system is placed in a hydrogel environment permeable to the analyte and transparent to light interrogating the fluorescently labelled antibodies. The readout of the immunoanalytical system is realized with Supercritical Angle Fluorescence (SAF), an advanced microscopy technique. To accomplish this, we made use of recent, commercial high resolution (< 22 µm) Liquid Crystal Display 3D printers to fabricate a parabolic optical element with high refractive index (RI>1.5) and transmission values (>90%) from photo-resin. Aiming at a new generation of sensors, which not only can meet the requirements of trace detection, but can also be used for substance identification, the combination of immunoanalytical recognition with SAF detection offers a modularity and versatility that is principally well suitable for the measurements of target analytes at trace levels.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS = 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.