Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2008

Aus der Einleitung: "Das selektive Elektronenstrahlschmelzen (engl. Electron Beam Melting (EBM®)) ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren, mit dessen Hilfe metallische Bauteile schichtweise hergestellt werden können. Der schematische Aufbau einer entsprechenden Anlage ist in Abbildung 4 dargestellt. Dabei erfolgt die Strahlerzeugung im Bereich 1 (die Kathode besteht entweder aus Wolfram oder bei den neuesten Systemen aus einkristallinem LaB6). Die Strahlablenkung durch ein elektromagnetisches Linsensystem erfolgt im Bereich 2. Der Bereich 3 ist die eigentliche Baukammer, in der sich unter anderem die Vorratsbehälter für das Pulver, das Rakelsystem sowie die Komponenten des Bauraums (Käfig mit Hitzeschild, Bauplattform mit Startplatte) befinden. ..."

Über die additive Fertigung, oftmals bezeichnet als 3D-Druck, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen. Gleichzeitig lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hieraus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Eigenschaftsoptimierung aktueller Hochleistungswerkstoffe.

Über die additive Fertigung, oftmals bezeichnet als 3D-Druck, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen. Gleichzeitig lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hieraus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Eigenschaftsoptimierung aktueller Hochleistungswerkstoffe.

Aus der Einleitung: "Das selektive Elektronenstrahlschmelzen (engl. Electron Beam Melting (EBM®)) ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren, mit dessen Hilfe metallische Bauteile schichtweise hergestellt werden können. Der schematische Aufbau einer entsprechenden Anlage ist in Abbildung 4 dargestellt. Dabei erfolgt die Strahlerzeugung im Bereich 1 (die Kathode besteht entweder aus Wolfram oder bei den neuesten Systemen aus einkristallinem LaB6). Die Strahlablenkung durch ein elektromagnetisches Linsensystem erfolgt im Bereich 2. Der Bereich 3 ist die eigentliche Baukammer, in der sich unter anderem die Vorratsbehälter für das Pulver, das Rakelsystem sowie die Komponenten des Bauraums (Käfig mit Hitzeschild, Bauplattform mit Startplatte) befinden. ..."

In der Dissertation erfolgt die methodische Einbindung von Wirtschaftlichkeitsaspekten und Gestaltungsempfehlungen für das selektive Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) mit der Titanlegierung Ti6Al4V in den Konstruktionsprozess. Hierzu werden Werkzeuge und Methoden erarbeitet um die Wirtschaftlichkeit des EBM-Prozesses anhand bestimmter Entwurfsparameter aus dem Produktentwicklungsprozess zu bewerten, ohne eine konkrete, additive Gestalt entwickeln zu müssen. Zudem werden anhand verschiedener Demonstratoren die Fertigungsgrenzen des Verfahrens speziell an der Titanlegierung Ti6Al4V erprobt. Infolge dessen erfolgt die Eingliederung des EBM Verfahrens in die Allgemein- und Grundtoleranzen sowie die Erarbeitung eines von Gestaltungsempfehlungen und eines umfassenden Konstruktionskataloges. Anhand von 3 Leichtbauanwendungen ist abschließend das Potenzial des EBM in Verbindung mit der Topologie- bzw. Strukturoptimierung dargestellt worden.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Begrifflichkeiten und Normung der additiven Fertigung 2.2 Das selektive Elektronenstrahlschmelzen 2.2.1 Prozessbeschreibung 2.2.2 Einflussfaktoren auf die Bauteilfertigung beim EBM 2.2.3 Nachbearbeitung 2.3 Produktgestaltung im Kontext der additiven Fertigung 2.3.1 Potenziale bei der additiven Produktgestaltung für EBM 2.3.2 Leichtbau in der Produktentwicklung 2.3.3 Strukturoptimierung in Verbindung mit der additiven Fertigung 2.3.4 Modelldatenerzeugung und deren Umwandlung 2.4 Design for Additive Manufacturing 2.4.1 Gestaltungsregeln der pulverbettbasierten additiven Fertigung 2.4.2 Gestaltungsrichtlinien für EBM 2.4.3 Maß-, Form- und Lagetoleranzen 2.5 Potenzialbewertung und Kostenabschätzung 2.5.1 Potenzialbewertung der additiven Fertigung 2.5.2 Kostenkalkulation 2.6 Zusammenfassung zum Stand der Technik 3 Methode zur Bewertung des EBM als potenzielles Fertigungsverfahren 3.1 Potenzialabschätzung für das EBM 3.1.1 Verfahrenspotenziale des EBM 3.1.2 Verfahrenspotenzialbewertung des Anwenders 3.1.3 Randbedingungen aus dem Produktentwicklungsprozess 3.1.4 Berechnungen des Potenzials 3.1.5 Ergebnis, Handlungsempfehlungen und Validierung 3.2 Bewertung der Wirtschaftlichkeit des EBM 3.2.1 Bauzyklus- und Bauteilherstellungskosten 3.2.2 Ermittlung der maximalen Bauteilanzahl pro Bauzyklus 3.2.3 Material- und Fertigungskosten 4 Erarbeitung geometrischer Grenzen des EBM 4.1 Geltungsbereich der Gestaltungsempfehlungen 4.1.1 Ausgangswerkstoff 4.1.2 Anlagen- und Prozessparameter 4.2 Mess- und Auswertestrategien 4.3 Allgemeine Verfahrensgenauigkeit innerhalb der Anlage 4.3.1 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage A2X 4.3.2 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage Q20plus 4.3.3 Zwischenfazit 4.4 Minimal mögliche Strukturen beim EBM 4.4.1 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.2 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 45° zur Bauebene 4.4.3 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.4 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.5 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.6 Minimale Wandstärke in Baurichtung 4.4.7 Minimaler Spaltabstand in Baurichtung 4.4.8 Winkeltreue an Downskin-Flächen 4.4.9 Minimale Wandstärke überhängender Strukturen 4.4.10 Zwischenfazit und -diskussion 4.5 Pulverentfernung 4.5.1 Versuchsauswertung zur Pulverentfernung 4.5.2 Maßhaltigkeit der Rohröffnungen des Demonstrators 4.6 Überhanguntersuchungen 4.6.1 Kritischer Überhangwinkel 4.6.2 Kritische freitragende Überhanglänge 4.6.3 Zwischenfazit und Diskussion 4.7 Einfluss der Stützstruktur auf die Bauteilqualität 4.8 Minimalmaß lasttragender Strukturen 4.8.1 Festigkeit schmaler Strukturen 4.8.2 Zwischenfazit und Diskussion 4.9 Gestaltungsempfehlungen für EBM 4.9.1 Geometrische Genauigkeit und Allgemeintoleranz des EBM 4.9.2 Konstruktionskatalog für das EBM 4.9.3 Diskussion und Implikation der Ergebnisse 5 Angewandte Strukturoptimierung 5.1 Main Gear Bracket (MGB) 5.1.1 Auslegungsgrundlagen 5.1.2 Strukturoptimierungsprozess 5.1.3 Festigkeitsnachweise 5.1.4 Fertigung 5.2 Formula Student Lenkstockhalter (FSL) 5.3 Flight Crew Rest Compartment Bracket (FCRC) 5.4 Zusammenfassung zur Strukturoptimierung 5.5 Beispielhafte Umsetzung der Kostenabschätzung 6 Zusammenfassung der Arbeit 7 Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis Anlagen / In this dissertation the methodical integration of economic aspects and design recommendations for selective electron beam melting (SEBM) with the titanium alloy Ti6Al4V into the design process is carried out. For this purpose, tools and methods are developed to evaluate the economic efficiency of the EBM process on the basis of certain design parameters from the product development process, without having to develop a concrete, additive design. In addition, the manufacturing limits of the process are tested using various demonstrators, especially on the titanium alloy Ti6Al4V. As a result, the EBM process is integrated into the general and basic tolerances and a design recommendation and a comprehensive design catalogue are developed. Finally, the potential of EBM in connection with topology and structural optimisation was demonstrated on the basis of 3 lightweight construction applications.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Begrifflichkeiten und Normung der additiven Fertigung 2.2 Das selektive Elektronenstrahlschmelzen 2.2.1 Prozessbeschreibung 2.2.2 Einflussfaktoren auf die Bauteilfertigung beim EBM 2.2.3 Nachbearbeitung 2.3 Produktgestaltung im Kontext der additiven Fertigung 2.3.1 Potenziale bei der additiven Produktgestaltung für EBM 2.3.2 Leichtbau in der Produktentwicklung 2.3.3 Strukturoptimierung in Verbindung mit der additiven Fertigung 2.3.4 Modelldatenerzeugung und deren Umwandlung 2.4 Design for Additive Manufacturing 2.4.1 Gestaltungsregeln der pulverbettbasierten additiven Fertigung 2.4.2 Gestaltungsrichtlinien für EBM 2.4.3 Maß-, Form- und Lagetoleranzen 2.5 Potenzialbewertung und Kostenabschätzung 2.5.1 Potenzialbewertung der additiven Fertigung 2.5.2 Kostenkalkulation 2.6 Zusammenfassung zum Stand der Technik 3 Methode zur Bewertung des EBM als potenzielles Fertigungsverfahren 3.1 Potenzialabschätzung für das EBM 3.1.1 Verfahrenspotenziale des EBM 3.1.2 Verfahrenspotenzialbewertung des Anwenders 3.1.3 Randbedingungen aus dem Produktentwicklungsprozess 3.1.4 Berechnungen des Potenzials 3.1.5 Ergebnis, Handlungsempfehlungen und Validierung 3.2 Bewertung der Wirtschaftlichkeit des EBM 3.2.1 Bauzyklus- und Bauteilherstellungskosten 3.2.2 Ermittlung der maximalen Bauteilanzahl pro Bauzyklus 3.2.3 Material- und Fertigungskosten 4 Erarbeitung geometrischer Grenzen des EBM 4.1 Geltungsbereich der Gestaltungsempfehlungen 4.1.1 Ausgangswerkstoff 4.1.2 Anlagen- und Prozessparameter 4.2 Mess- und Auswertestrategien 4.3 Allgemeine Verfahrensgenauigkeit innerhalb der Anlage 4.3.1 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage A2X 4.3.2 Abweichungen innerhalb des Bauraums der Anlage Q20plus 4.3.3 Zwischenfazit 4.4 Minimal mögliche Strukturen beim EBM 4.4.1 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.2 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 45° zur Bauebene 4.4.3 Minimaler Zylinderdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.4 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 90° zur Bauebene 4.4.5 Minimaler Bohrungsdurchmesser mit Achswinkel 0° zur Bauebene 4.4.6 Minimale Wandstärke in Baurichtung 4.4.7 Minimaler Spaltabstand in Baurichtung 4.4.8 Winkeltreue an Downskin-Flächen 4.4.9 Minimale Wandstärke überhängender Strukturen 4.4.10 Zwischenfazit und -diskussion 4.5 Pulverentfernung 4.5.1 Versuchsauswertung zur Pulverentfernung 4.5.2 Maßhaltigkeit der Rohröffnungen des Demonstrators 4.6 Überhanguntersuchungen 4.6.1 Kritischer Überhangwinkel 4.6.2 Kritische freitragende Überhanglänge 4.6.3 Zwischenfazit und Diskussion 4.7 Einfluss der Stützstruktur auf die Bauteilqualität 4.8 Minimalmaß lasttragender Strukturen 4.8.1 Festigkeit schmaler Strukturen 4.8.2 Zwischenfazit und Diskussion 4.9 Gestaltungsempfehlungen für EBM 4.9.1 Geometrische Genauigkeit und Allgemeintoleranz des EBM 4.9.2 Konstruktionskatalog für das EBM 4.9.3 Diskussion und Implikation der Ergebnisse 5 Angewandte Strukturoptimierung 5.1 Main Gear Bracket (MGB) 5.1.1 Auslegungsgrundlagen 5.1.2 Strukturoptimierungsprozess 5.1.3 Festigkeitsnachweise 5.1.4 Fertigung 5.2 Formula Student Lenkstockhalter (FSL) 5.3 Flight Crew Rest Compartment Bracket (FCRC) 5.4 Zusammenfassung zur Strukturoptimierung 5.5 Beispielhafte Umsetzung der Kostenabschätzung 6 Zusammenfassung der Arbeit 7 Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis Anlagen

Ein metastabiler austenitischer Stahl der Zusammensetzung 16Cr-7Mn-6Ni wurde einerseits über die Methode der Rückumwandlung in Werkstoffzustände verschiedener Korngrößen überführt und andererseits additiv über das Electron Beam Melting (EBM)-Verfahren gefertigt. Das statische und das zyklische Verformungsverhalten werden stark von der Korngröße beeinflusst. Insbesondere der ultrafeinkörnige Zustand verzeichnete einen erheblichen Anstieg der Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität. Die Lebensdauer übertraf bei niedrigen Dehnungsamplituden die Lebensdauer der Vergleichszustände und lag - für ultrafeinkörnige Gefüge außergewöhnlich - selbst bei hohen zyklischen Beanspruchungen auf einem vergleichbaren Niveau. Im Gegensatz zur Korngröße hatten die prozessinhärenten Defekte der mittels EBM hergestellten Varianten kaum einen Effekt auf das Verformungsverhalten des Stahls. Auch die Absenkung der Lebensdauer fiel vergleichsweise gering aus. Diese hervorragende Schadenstoleranz wird der hohen Duktilität in Kombination mit der enormen Verfestigungskapazität zugeschrieben.