Laserstrahl-Schmelzen von Metallen mit einer Serienanlage - Prozesscharakterisierung und Erweiterung eines Überwachungssystems

Laser Powder Bed Fusion of Metals with a serial machine - process characterisation and enhancement of a process monitoring system

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-186518
  • Das additive Fertigungsverfahren Laserstrahl-Schmelzen von Metallen im Pulverbett bietet aufgrund von Freiheitsgraden im Design, vorteilhafter Materialeigenschaften, Umsetzungs-Geschwindigkeit und Flexibilität in der Produktion ein breites Anwendungsspektrum für die Herstellung von Metall-Erzeugnissen. Zur Industrialisierung sind die Handlungsfelder Gesamtanlageneffizienz, Erweiterung der Werkstoffpalette, Simulationsmethoden, fachliche Ausbildung bezüglich Anlagentechnik und Design sowie die Prozess-Überwachung und -Regelung im Fokus aktueller Forschungsarbeiten. Die in dieser Arbeit gezeigten Untersuchungen zur Prozesscharakterisierung und Erweiterung eines ÜberwachungssystemsDas additive Fertigungsverfahren Laserstrahl-Schmelzen von Metallen im Pulverbett bietet aufgrund von Freiheitsgraden im Design, vorteilhafter Materialeigenschaften, Umsetzungs-Geschwindigkeit und Flexibilität in der Produktion ein breites Anwendungsspektrum für die Herstellung von Metall-Erzeugnissen. Zur Industrialisierung sind die Handlungsfelder Gesamtanlageneffizienz, Erweiterung der Werkstoffpalette, Simulationsmethoden, fachliche Ausbildung bezüglich Anlagentechnik und Design sowie die Prozess-Überwachung und -Regelung im Fokus aktueller Forschungsarbeiten. Die in dieser Arbeit gezeigten Untersuchungen zur Prozesscharakterisierung und Erweiterung eines Überwachungssystems identifizieren typische Prozessfehler und zeigen das Potential von lateralen und koaxialen Prozessüberwachungs-Systemen. Bei der Betrachtung des koaxialen Schmelzbad-Überwachungssystems wurden hierfür mittels Grundlagenversuchen Erkenntnisse zur Signalverarbeitung erarbeitet. Darauf aufbauend werden Anwendungsmöglichkeiten für beide Systeme erarbeitet. Für das laterale Überwachungssystem wird eine automatisierte Auswertungsmöglichkeit auf Basis des maschinellen Lernens entwickelt um Schichtbilder zu klassifizieren. Für das koaxiale Überwachungssystem werden Möglichkeiten zur Nutzbarmachung bezüglich der Oberflächenrauheit auf belichteten Bauteilflächen, in Folgeschichten von Kanalverschlüssen und bei Spritzer-Ereignissen betrachtet. Gegenmaßnahmen zur Verminderung von Oberflächenrauheit mittels Laserpolieren werden motiviert und Ergebnisse vorgestellt.show moreshow less
  • The demand for customized products and the pressure to accelerate product development are accelerating the industrialization of material-efficient, laser-based additive manufacturing [1]. As a result, prototypes can be produced quickly and cost-effectively with material properties equivalent to those conventionally manufactured [2]. The resulting accelerated development process significantly improves competitiveness, especially for complex products [3]. In mold and tool making, near-contour cooling increases the possible yield rate and the life-time of tools [4] and new applications in medical technology enable a highly individualized manufacturing of implants [5]. There are currentlyThe demand for customized products and the pressure to accelerate product development are accelerating the industrialization of material-efficient, laser-based additive manufacturing [1]. As a result, prototypes can be produced quickly and cost-effectively with material properties equivalent to those conventionally manufactured [2]. The resulting accelerated development process significantly improves competitiveness, especially for complex products [3]. In mold and tool making, near-contour cooling increases the possible yield rate and the life-time of tools [4] and new applications in medical technology enable a highly individualized manufacturing of implants [5]. There are currently numerous fields of activity [6] for the technology laser powder bed fusion (LPBF) of metals. These concern the insufficient training opportunities for personnel [7], the reproducibility of component quality [8], the lack of design guidelines and the inadequate communication of these guidelines [9], scientifically based application research [10] and strict framework conditions for occupational safety [P1], as well as legal issues [6].Despite intensive research in the simulation of laser-based additive manufacturing processes, the understanding of the physical interaction processes has not yet been sufficiently developed. Therefore, real-time monitoring systems are required to generate new knowledge [11]. To monitor the interaction zone of laser beam and powder, coaxial setups have been sold since 2016. These allow a high temporal and spatial resolution of the entire manufacturing process and thus theoretically enable a component data set comparable to an ex-situ computed tomography. Coaxial melt pool monitoring (CMPM) systems are still insufficiently investigated and underrepresented in research institutions. This thesis deals with the process monitoring of the LPBF and aims to extend the process understanding and the signal understanding of a CMPM and to derive possible applications for the process monitoring as well as an outlook on a controlled process.show moreshow less

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Metadaten
Author:Tobias Kolb
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-186518
Persistent identifiers - DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-492-9
ISBN:978-3-96147-492-9
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (382)
Publisher:FAU University Press
Place:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Tino Hausotte, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Michael Schmidt, Michael Rethmeier
Advisor:Michael Schmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2021
Date of online publication (Embargo Date):2022/02/27
Publishing Institution:FAU University Press
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2021/10/14
Release Date:2022/03/01
Tag:Laserstrahl-Schmelzen
Additive Manufacturing; Coaxial Monitoring; Laser Powder Bed Fusion; Lateral Monitoring; Meltpool Monitoring; Process Characterisation; Process Monitoring; Selective Laser Melting
SWD-Keyword:Selektives Laserschmelzen; Prozessüberwachung; Ingenieurwissenschaften; Maschinenbau; Produktionstechnik
Length/size:xv, 170 Seiten
Notes:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-491-2
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 670 Industrielle Fertigung
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 671 Metallverarbeitung und Rohprodukte aus Metall
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International
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