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Der Trend zur Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen bleibt ungebrochen. So setzt sich diese Entwicklung gleichermaßen im Bereich von THz- Systemen fort, in dessen Zuge zusätzliche Potentiale hinsichtlich der Applikationen, des Leistungsvermögens aber auch die Reduzierung von Fertigungskosten in Aussicht gestellt werden. Dabei stellen halbleiterbasierte Wellenleitersysteme, vor allem durch ihre hohe Integrationsfähigkeit, vielversprechende Lösungen dar. Eine Funktionserweiterung derartiger Systeme lässt sich darüber hinaus durch die Integration von fundamentalen Komponenten wie aktuierbaren Wellenleiterschaltern oder auch -Kombiniern und -Splittern erreichen. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung und Charakterisierung von rechteckigen THz-Hohlleiterschaltern aus Silizium, welche auf neuartigen elektrostatischen Biegebalken des Fraunhofer IPMS, auch NEDs genannt, basieren.
Dahinführend erfolgen theoretische Vorbetrachtungen zur Identifizierung und Evaluation von performanzbestimmenden Parametern. Im Anschluss werden mit Hilfe von FEM-Simulationen diverse Schalterkonzepte entwickelt und charakterisiert. Da die NED-Technologie für diese Konzepte noch in Entwicklung ist, erfolgen die experimentellen Funktionsnachweise im Rahmen eines Rapid-Prototyping-Ansatzes mit gedruckten Wellenleiterkomponenten, basierend auf dem Fertigungsverfahren der Zwei-Photonen-Lithographie.
Durch die theoretischen Vorbetrachtungen kann vorausgesagt werden, dass Wellenleitersysteme aus Silizium zwingend metallisiert werden müssen und möglichst glatte Seitenwände benötigen. Zusätzlich wird der Pull-in-Effekt als Limitierung der NED-Auslenkung und des Schaltvermögens identifiziert. Anhand der FEM-Simulationen wird gezeigt, dass Schaltkonzepte, bei denen zwei NEDs den Wellenleiter längs entlang der langen Querschnittsseite schließen, am vorteilhaftesten sind. Außerdem wird nachgewiesen, dass Lücken zwischen den NEDs und den Seitenwänden parallel zur NED-Auslenkung signifikanten Einfluss auf das Dämpfungsvermögen des Schalters nehmen und damit nur Größen von wenigen Mikrometer einnehmen dürfen. Gedruckte Wellenleiter mit integrierten Biegebalkenstrukturen liefern letztlich einen experimentellen Funktionsnachweis. Statische Bauteile ohne bewegliche Strukturen und elektrostatisch aktuierbare Bauteile erlauben es dabei, die Änderung der Cutoff-Frequenz und der Dämpfung während des Schließvorganges quantitativ zu bestimmen. Die gemessene Dämpfung beträgt dabei etwa 20 dB.
Folglich erlaubt die Identifizierung von diversen Limitierungen und einflussnehmenden Parametern sowie deren Abschätzung und experimentelle Funktionsnachweise, die Entwicklung eines NED-basierten Wellenleiterschalters zu fördern. Darüber hinaus zeigen die experimentellen Versuche, dass sich die Zwei-Photonen-Lithographie im hohen Maße zur Prototypen- und Kleinserienfertigung von statischen Wellenleiterkomponenten des THz- und Mikrowellenbereiches eignet.
Effiziente Fertigungssysteme sind wichtiger denn je, um die steigenden Klimaauflagen und die damit verbundenen Anforderungen an die Ressourceneffizienz erfüllen zu können. Klassische Fertigungsverfahren haben dabei den Nachteil, dass diese entweder mit einem hohen Ressourcenverbrauch verbunden sind oder Produktvarianten nicht wirtschaftlich herstellen können. Zwar können additive Fertigungsverfahren wie Selective Laser Melting (SLM), Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) oder Laserpulverauftragschweißen (LPA) durch ihre hohe Flexibilität dieses Problem teilweise beheben, aber bei großvolumigen Bauteilen oder größeren Stückzahlen sind diese Verfahren mit langen Prozesszeiten verbunden und weisen damit eine geringe Produktivität auf.
Dahingegen können hybride Fertigungsverfahren bestehend aus einer Kombination aus einem werkzeuggebundenen Prozess (z. B. Schmieden) und einem werkzeuglosen Verfahren (z. B. Auftragschweißen) eine effiziente Lösung darstellen. Die Herausforderungen sind dabei, die Wechselwirkungen der Fertigungsverfahren zu untersuchen und die Teilprozesse aufeinander abzustimmen. Ziel war es, die negativen Auswirkungen einer Wärmeeinbringung und deren Effekte auf die Mikrostruktur sowie die daraus resultierende Härte und Festigkeit aufzuzeigen. Des Weiteren wurde die Prozessreihenfolge untersucht, mit der eine optimale Festigkeit erreicht werden kann.
Anhand von Beispielen wurden anschließend Richtlinien und Strategien für das Hybridverfahren abgeleitet. So konnte gezeigt werden, dass durch das Hybridverfahren der Werkstoffeinsatz mit bis zu 53,2 % gegenüber der reinen Zerspanung gesenkt werden kann. Die Prozesszeit liegt mit 4,4 bzw. 2,4 h deutlich unter der eines rein additiven Prozesses, was auf eine konkurrenzfähige Wirtschaftlichkeit hindeutet.
Among variants of AM technology, wire-arc additive manufacturing (WAAM) process suitably produces bulky metal parts with a medium complexity. Although WAAM shows a great potential, this process has not been fully explored, and it is therefore a worthwhile subject to further investigate. This monograph engages with tool path planning for the WAAM process and existing problems in WAAM are subsequently addressed, as following:
The existing overlapping models yield an uneven surface due to the inner beads overlapping with two neighbor beads while the outers have only a one-sided overlap. New mathematical models are established to obtain optimal distances between adjacent weld beads and to make surfaces more even.
Lightweight structures have high strength as compared to their weight. Producing these structures by WAAM results in imperfections because of uneven weld beads - an inevitable phenomenon when starting a new track. A new tool path strategy to produce lightweight structures is developed using contour patterns, which transforms any arbitrary geometry into that of a continuous path. Unfortunately, voids are formed at junctions when using contour patterns. An adaptive correction using machine learning is then developed to overcome this defect.
Large overhangs and inclined features are out of reach of WAAM when operating in the x-y plane in Cartesian system. This limits the ability of the WAAM process. To overcome that, each overhang feature should be welded with a distinct direction. This approach is realized within the robot based WAAM process. Establishing the kinematics of the FANUC robot arm and the positioner helps compute the new coordinates, the angular displacements of the positioner, and the orientation of the torch. The proposed strategy is examined through the construction of an overhang part.
The capabilities of the multi-axis deposition are extended by constructing curved thin-walled structures. Irregular thickness layers are deposited by controlling the travel speed, resulting in a different deposition rate. The curved thin-walled structures can be properly fabricated by combining a multi-axis deposition with non-uniform thickness layers. Bonding quality as well as geometric accuracy are also to be investigated. To ensure geometric accuracy, a compensation strategy is developed. The performance of the proposed algorithm is validated on different geometries.
This monograph will conclude with a summary of this work’s main achievements and contributions as well as outlooks on future research.
Since the beginning of its development in the 1950s, mixed integer programming (MIP) has been used for a variety of practical application problems, such as sequence optimization. Exact solution techniques for MIPs, most prominently branch-and-cut techniques, have the advantage (compared to heuristics such as genetic algorithms) that they can generate solutions with optimality certificates. The novel process of additive manufacturing opens up a further perspective for their use. With the two common techniques, Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) and Laser Powder Bed Fusion (LPBD), the sequence in which a given component geometry must be manufactured can be planned. In particular, the heat transfer within the component must be taken into account here, since excessive temperature gradients can lead to internal stresses and warpage after cooling. In order to integrate the temperature, heat transfer models (heat conduction, heat radiation) are integrated into a sequencing model. This leads to the problem class of MIPDECO: MIPs with partial differential equations (PDEs) as further constraints. We present these model approaches for both manufacturing techniques and carry out test calculations for sample geometries in order to demonstrate the feasibility of the approach.
In wire-arc additive manufacturing (WAAM), the desired workpiece is built layerwise by a moving heat source depositing droplets of molten wire on a substrate plate. To reduce material accumulations, the trajectory of the weld source should be continuous, but transit moves without welding, called deadheading, are possible. The enormous heat of the weld source causes large temperature gradients, leading to a strain distribution in the welded material which can lead even to cracks. In summary, it can be concluded that the temperature gradient reduce the quality of the workpiece. We consider the problem of finding a trajectory of the weld source with minimal temperature deviation from a given target temperature for one layer of a workpiece with welding segments broader than the width of the weld pool. The temperature distribution is modeled using the finite element method. We formulate this problem as a mixed-integer linear programming model and demonstrate its solvability by a standard mixed-integer solver.
We consider two mathematical problems that are connected and occur in the layer-wise production process of a workpiece using Wire-Arc Additive Manufacturing. As the first task, we consider the automatic construction of a honeycomb structure, given the boundary of a shape of interest. In doing this we employ Lloyd’s algorithm in two different realizations. For computing the incorporated Voronoi tesselation we consider the use of a Delaunay triangulation or alternatively, the eikonal equation. We compare and modify these approaches with the aim of combining their respective advantages.
Then in the second task, to find an optimal tool path guaranteeing minimal production time and high quality of the workpiece, a mixed-integer linear programming problem is derived. The model takes thermal conduction and radiation during the process into account and aims to minimize temperature gradients inside the material. Its solvability for standard mixed-integer solvers is demonstrated on several test-instances. The results are compared with manufactured workpieces.