Gitterstrukturen sind ein prominentes Beispiel für die Designfreiheiten der Additiven Fertigung. Während regelmäßige Gitterstrukturen einfacher zu konstruieren sind, bieten unregelmäßige Varianten größere Spielräume zur individuellen Anpassung. In dieser Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Synthese optimierter unregelmäßiger Gitterstrukturen auf Voronoi-Basis erarbeitet, wobei nach einer Vorstellung der mathematischen Grundlagen und relevanten Literatur die Forschungsfragen sowie der Forschungsumfang konkretisiert werden. Zunächst wird anhand des Produktentwicklungsprozesses nach Weber eine geeignete Vorgehensweise zur gesteuerten Synthese einer Voronoi-Gitterstruktur gemäß funktionalen Anforderungen modelliert und die zu erarbeitenden Komponenten werden ermittelt. Basierend auf den geometrischen Eigenschaften der Voronoi-Zellen werden Metriken definiert, für deren ortsaufgelöste Spezifikation eine Datenstruktur vorgestellt wird. Zur zielgerichteten Manipulation der Zellform werden mittels numerischer und analytischer Untersuchungen die Auswirkungen der Position der benachbarten Saatpunkte auf die einzelnen Metriken untersucht. Zur bestmöglichen Positionierung der Saatpunkte wird das resultierende Optimierungsproblem charakterisiert, mögliche Lösungsansätze evaluiert und als Vorzugsvariante ein Memetischer Algorithmus implementiert. Dieser stellt eine Kombination aus einem populationsbasierten Evolutionären Algorithmus zur globalen Suche und der Nutzung des Wissens zur zielgerichteten Zellformmanipulation zur lokalen Suche dar. Eine Verifikation des implementierten Algorithmus erfolgt anhand eines zweidimensionalen Beispielbauteils. Das erarbeitete Vorgehen wird durch den simulativen Vergleich einer optimierten mit einer nicht-optimierten und einer regelmäßigen Gitterstruktur validiert, wobei eine Hüftschaft-Endoprothese als Beispielbauteil dient. Eine Rekapitulation des Inhaltes und ein Ausblick auf mögliche weiterführende Forschungsthemen schließen die Arbeit ab. / Lattice structures are a prominent example of the design freedom offered by additive manufacturing. While regular lattice structures are easier to design, irregular variants offer greater scope for customization. In this thesis, a procedure for the synthesis of optimized irregular lattice structures based on Voronoi is developed, whereby the research questions and the scope of research are specified after a presentation of the mathematical principles and relevant literature. First, a suitable procedure for the controlled synthesis of a Voronoi lattice structure according to functional requirements is modeled using Weber's product development process, and the components to be developed are defined. Based on the geometric properties of the Voronoi cells, metrics are defined, and a data structure is presented for their spatial specification. To manipulate the cell shape in a targeted manner, the effects of the position of the neighboring seed points on the individual metrics are investigated through numerical and analytical studies. For the best possible positioning of the seed points, the resulting optimization problem is characterized, possible solution strategies are evaluated, and a memetic algorithm is implemented as the preferred variant. This represents a combination of a population-based evolutionary algorithm for global search and the use of knowledge for targeted cell shape manipulation for local search. The implemented algorithm is verified using a two-dimensional example. The developed procedure is validated by the simulative comparison of an optimized with a non-optimized and a regular lattice structure, whereby a hip stem endoprosthesis serves as an example component. A recapitulation of the content and an outlook on possible further research topics concludes the thesis.

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.

Durch die Verwendung von 3D-Druck-Verfahren wird die Gestaltung der Komponenten revolutioniert, weil die Form nicht mehr abhängig vom Fertigungsverfahren ist. Dabei werden auch optimale Gitterstrukturen innerhalb der Komponenten immer wichtiger. Diese Stützstrukturen können in Creo Parametric 4.0 mit dem neuen «Lattice-Feature» modelliert und Creo Simulate analysiert werden. Parallel dazu kann man mit ProTopCI (Hersteller CAESS, PTC Partner Advantage, Silver) eine Topologieoptimierung mit Stützstrukturen durchführen. Der Vortrag beleuchtet die Unterschiede dieser 2 Methoden.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Maschinenkonzept präsentiert, welches für die Additive Fertigung von großvolumigen Titanbauteilen speziell entwickelt wurdet. Hierbei wird mit den Direct-Energy_Deposition Verfahren das Bauteil in einer separaten Inertgasatmosphäre erzeugt. Zur Führung der Prozesstechnik soll erstmals ein Roboter verwendet werden, der ebenfalls in dieser Atmosphäre verbaut ist. Dieser ist allerdings schwierigen Bedingungen ausgesetzt, da die Spannungsfestigkeit sowie die Isolationsschwelle in Argon im Vergleich zu Luft drastisch reduziert sind.

Die Übertragung thermischer Energie durch Wärmeübertrager ist ein essentieller Vorgang in unterschiedlichen, technischen Prozessen. Die am häufigsten vorkommende Wärmeübertragerbauform bei der Wärmeabgabe an ein Gas ist der Rippenrohrwärmeübertrager. Bis zu 85 % des thermischen Widerstandes treten nach Wang et al. (2002) dabei gasseitig auf, weshalb eine Verbesserung des Wärmeüberganges wesentlich zur Erhöhung der Gesamtleistung beiträgt. Eine typische Anwendung von geneigten Rippenrohren sind luftgekühlte Kondensatoren. Der Einfluss der Rohrneigung auf die Wärmeübertragungs- und Strömungscharakteristik von Rippenrohren wurde in der Literatur bislang kaum untersucht. Luftgekühlte Kondensatoren werden allerdings in geneigter Orientierung installiert, um einen Kondensatablauf auf der Rohrinnenseite zu ermöglichen. Daher würde der Auslegungsprozess von luftgekühlten Kondensatoren wesentlich von einer experimentellen Charakterisierung des Einflusses der Rohrneigung auf die Wärmeübertragungs- und Strömungscharakteristik profitieren. Es existiert eine Vielzahl von Rippendesigns zur Erhöhung der luftseitigen Turbulenz entlang der Rippenoberfläche. In der Literatur konnten keine Rippendesigns gefunden werden, welche neben der Turbulenzerzeugung auch die Wärmeleitung von der Rippenbasis zur Rippenspitze verbessern und somit eine homogenere Temperaturverteilung erreichen. Wissenschaftliche Arbeiten zur Naturkonvektion beschränken sich auf numerische und experimentelle Analysen von berippten Einzelrohren. Rippenrohrbündel unter Naturkonvektion sowie der Einfluss der relevanten Rippen- und Rohrparameter auf die Wärmeübertragung der Rohrbündel wurde bislang kaum untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein 6,5 m langer vertikaler Strömungskanal errichtet, in welchem unterschiedliche Gleichrichter zur Homogenisierung der Strömung installiert waren. Mittels einer Kombination aus analytischen Näherungsverfahren und Vermessung der lokal aufgelösten Rippenoberflächentemperatur wurde der Rippenwirkungsgrad bestimmt. Die Neigung der Rohrachse gegenüber der Horizontalen erhöht die Nusselt-Zahl bei erzwungener Konvektion und erniedrigt diese bei natürlicher Konvektion. Bei erzwungener Konvektion ist das Leistungsverhalten der Wärmeübertrager unter geneigter Orientierung aufgrund des höheren Druckverlustes reduziert. Für beide Konvektionsarten sinkt der Einfluss des Neigungswinkels auf die Nusselt-Zahl mit abnehmendem Rippenabstand. Basierend auf den experimentellen Untersuchungen wurden Korrelationen entwickelt, um den Wärmeübergang in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl oder Rayleigh-Zahl, dem Neigungswinkel und dem Rippenabstand zu beschreiben. Die existierenden Rippendesigns zielen darauf ab, den gasseitigen konvektiven Wärmeübergang zu verbessern. Die Steigerung der Wärmeleitung durch das Rippendesign wird dabei weitestgehend vernachlässigt. Die Beeinflussung der Wärmeleitung, beispielsweise durch Veränderung des wärmeleitenden Querschnittes entlang des Rippenumfanges, ist durch konventionelle Fertigungstechnologien nur schwierig oder gar nicht realisierbar. Mit neuartigen Herstellungsverfahren, wie der additiven Fertigung, können diese komplexen Geometrien erzeugt und somit auch die Wärmeleitung lokal erhöht werden. Bei der additiven Fertigung wird ein Pulverbett selektiv mit einem Laser oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen und das Bauteil schrittweise generiert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Technologie genutzt, um Rippen mit verstärkenden, in der Rippenoberfläche integrierten, Stiften zu fertigen. Dadurch werden die Wärmeleitung und die Konvektion entlang der Rippenoberfläche verbessert. Zwei neuartige Designs wurden additiv gefertigt, experimentell in einem vertikalen Strömungskanal charakterisiert und patentiert. Bei den Untersuchungen wurde festgestellt, dass das Leistungsbewertungskriterium der geschlitzten integrierten Stiftrippe (SIPF) um 78,5 % höher und die Kompaktheit der runden integrierten Stiftrippe (CIPF) um 24,3 % höher ist als bei der konventionellen glatten Rohrrippe. Die Rohre mit neuartigem Rippendesign wurden auch unter verschiedenen Neigungswinkeln untersucht. Die Zunahme des Druckverlustes mit dem Rohrneigungswinkel ist niedriger als bei der konventionellen Rippe. Die SIPF erreicht bei einer Neigung von α=20 ° das höchste Leistungsverhalten und die CIPF erreicht bei α=40 ° Neigung die höchste volumetrische Wärmestromdichte. Die entwickelten Korrelationen beschreiben die Abhängigkeit dieser Designs von der Reynolds-Zahl für verschiedene Rippenabstände sowie von der Reynolds-Zahl für verschiedenen Neigungswinkel. Eine typische Anwendung von geneigten Rippenrohren sind luftgekühlte Kondensatoren, bei denen die Erfassung der thermischen Wärmeübertragungsleistung auf der Rohrinnenseite aufgrund des Phasenwechsels unter Umständen schwierig ist. Eine neue Messtechnik, der Temperatur-Anemometrie-Gittersensor (TAGS), wurde genutzt, um die luftseitige Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit zeitgleich und ortsaufgelöst zur ermitteln. Die gemessene Temperaturverteilung ist für geneigte Rippenrohre stark ungleich verteilt. Fünf verschiedene Varianten zur Berechnung der thermischen Wärmeübertragungsleistung werden miteinander verglichen. Die Bestimmung mittels gewichteter Wärmestromdichten zeigt dabei die geringsten Abweichungen. Der numerische Strömungsberechnungscode ANSYS CFX 19.0 wurde verwendet, um den Einfluss der Rippen- und Rohrparameter auf die Naturkonvektion von Rippenrohrbündeln qualitativ zu analysieren. Basierend auf der numerischen Studie wurden die zu optimierenden Rippen- und Rohrparameter ausgewählt. Zu diesen Parametern zählen die Rippendicke, der Rippenabstand, die Rippenhöhe, das Rohrachsenverhältnis, die Rohranordnung, die transversalen und longitudinalen Rohrabstände sowie die Rohrreihenanzahl. Diese Optimierung wurde mit Erkenntnissen bezüglich der erzwungenen Konvektion aus der Literatur kombiniert, wobei das ovale Rippenrohrbündel ein Achsenverhältnis von 1:2, eine Rippendicke von 1 mm, einen Rippenabstand von 5 mm und eine Rippenhöhe von 17 mm hat. Die versetzte Anordnung hat einen longitudinalen Rohrabstand von 63 mm sowie einen transversalen Rohrabstand von 53 mm und wurde in zwei- und dreireihiger Rohrreihenanzahl ausgeführt. Numerische Simulationen dieses optimierten Wärmeübertragers wurden für Naturkonvektion und für erzwungene Konvektion durchgeführt und qualitativ verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen für beide Konvektionsarten ähnliche Strömungsphänomene, wie beispielsweise Staupunkte am Rohr, Nachlaufgebiete stromabwärts des Rohres und Beschleunigungsbereich zwischen den Rohrrippen. Die optimierten Rohrbündelwärmeübertrager wurden mit konventionellen Rippen und den neuartigen Rohrrippen in zweireihiger und dreireihiger Ausführung realisiert. In einer dafür angepassten Testsektion wurden die experimentellen Untersuchungen durchgeführt. Im Vergleich zur konventionellen Rippe zeigt die SIPF ein höheres Leistungsbewertungskriterium und eine um 52 % höhere Nusselt-Zahl für beide Ausführungen. Die CIPF erreicht eine um 22,4 % und 27,8 % höhere volumetrische Wärmestromdichte für die zweireihige und dreireihige Ausführung verglichen mit der konventionellen Rippe. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Rohrbündelwärmeübertrager unter Naturkonvektion in einem Kamin zeigen durchschnittlich 19,7 % und 10,9 % höhere Nusselt-Zahlen sowie 11,2 % und 4,0 % höhere volumetrische Wärmestromdichten der SIPF für die dreireihigen und zweireihigen Wärmeübertrager im Vergleich zum konventionellen Design. Ein verbessertes thermisches Leistungsverhalten für CIPF bei Naturkonvektion ist nicht zu erkennen. Diese Arbeit zeigt, wie durch moderne Fertigungsverfahren und neue Designs auch Komponenten mit einem hohen technologischen Reifegrad weiter optimiert werden können. Durch verbesserte Wärmeübertragungsleistung bei gleichzeitig niedrigerem Materialverbrauch können Wärmeübertrager effizienter und ressourcenschonender hergestellt und betrieben werden. / The transfer of heat is an essential process in many technical applications and is usually realized by heat exchangers. The most common design to transfer heat to a gas is the finned tube bundle heat exchanger. Since up to 85 % of the thermal resistance occur on the gas side, an improvement of the heat transfer from the wall into the gas would increase the total thermal performance significantly (Wang et al., 2002). The influence of tilted tubes on the thermal and flow performance of finned tubes has rarely been studied so far. This tilted orientation is of particular relevance for air cooled condensers, to allow liquid drainage inside the tube. Several fin designs were developed to enhance the air side flow mixing along the fin surface. However, a fin design which induces turbulence and simultaneously improves the heat conduction was not found in literature. The literature study evinces a focus of numerical and experimental work on natural convection of single finned tubes. In contrast to single tubes, the natural convection of finned tube bundles has been barely investigated so far. Especially the influence of fin and tube parameters as well as the fin design was mostly neglected for finned tube bundles at natural convection. A 6.5 𝑚 long vertical flow channel, including a flow straightener to homogenize the flow, was erected for the experimental investigations. The fin temperature was determined by a combination of an analytical approximation method and locally resolved temperature measurements. It was used to calculate the fin efficiency. The tube tilt angle increases the Nusselt number for forced convection and reduces the Nusselt number for natural convection. For forced convection the performance of the heat exchanger reduces with tube tilt angle due to the higher pressure drop. As the fin spacing reduces the influence of the tube tilt angle becomes small for both types of convection. Based on the experimental outcome correlations were developed to predict the heat transfer as a function of Reynolds number or Rayleigh number, the tube tilt angle and the fin spacing. The existing fin designs aim to improve the convective heat transfer and the heat conduction is mostly neglected. The influence on the heat conduction, e. g. by strengthening of the cross section for heat conduction along the fin circumference, is difficult or impossible to be achieved by conventional manufacturing technologies. Novel production techniques, such as additive manufacturing, allow the generation of complex geometries. In an additive manufacturing process a powder bed is selectively melted by a laser or electron beam, to stepwise generate the component. In the present study this technology was applied to produce fin surfaces with integrated pins to enhance the heat conduction within the fin and to improve convection along the fin surface. Two novel patented designs were developed and experimentally characterized in the flow channel. It was found, that the performance evaluation criterion of the serrated integrated pin fin (SIPF) is 78.5 % higher and the compactness of the circular integrated pin fin (CIPF) is 24.3 % higher compared to the convectional, plain fin (CPF). The tubes were also studied for various tube tilt angles. A smaller increase of the pressure drop occurs for the novel fin designs at higher tube tilt angle compared to the conventional design. The SIPF achieves the greatest performance at a tube tilt angle of 𝛼=20 ° and the CIPF achieves the highest volumetric heat flux density at 𝛼=40 °. An empirical correlation predicts the heat transfer from the designs depending on the Reynolds number for different fin spacing as well as on the Reynolds number for different tube tilt angle. Tilted finned tube heat exchangers are typically used as air-cooled condensers, where the determination of thermal heat transfer may be intricate on the tube inside due to the phase change. Therefore, a new sensor, the Temperature Anemometry Grid Sensor (TAGS), was used to measure the local and time resolved air side temperature and velocity distribution. For the tilted finned tubes a strongly inhomogeneous temperature distribution was measured. Five different approaches were compared to calculate the thermal power. The method with weighted heat flux densities gives the lowest deviation. The numerical fluid dynamics code ANSYS CFX 19.0 was applied to analyze the influence of fin and tube bundle parameters on the natural convection from finned tube bundles. Based on the numerical investigation the fin parameters, such as fin thickness, fin spacing and fin height as well as the tube bundle parameters, such as tube axis ratio, tube arrangement, transversal tube pitch, longitudinal tube pitch and tube row number, were optimized. These results were used together with data from literature to determine an optimal tube bundle. It has an axis ratio of 1:2, a fin thickness of 1 𝑚𝑚, a fin spacing of 5 𝑚𝑚 and a fin height of 17 𝑚𝑚. The staggered arrangement has a longitudinal tube pitch of 63 𝑚𝑚, a transversal tube pitch of 53 𝑚𝑚 and a tube row number between two and three. The optimized heat exchangers were simulated for forced and natural convection and the results are qualitatively compared. From these results the finned tube bundle configurations were generated for the conventional and the two novel fin designs in a two and three row arrangement. It was found, that for forced convection the SIPF give a higher thermal and flow performance as well as a 52 % greater Nusselt number compared to the conventional design for both arrangements. Furthermore, the CIPF achieves 22.4 % and 27.8 % higher volumetric heat flux density compared to the conventional design for the two row and three row arrangement. The experimental investigation of the tube bundle configurations under natural convection in a chimney show 19.7 % and 10.9 % greater Nusselt numbers as well as 11.2 % and 4.0 % higher volumetric heat flux density for the SIPF with three row and two row heat exchangers respectively compared to the conventional design. The CIPF does not achieve higher thermal performance for natural convection. The present investigation illustrates, that the application of modern manufacturing technologies and designs can further improve components, which are already at a high degree of maturity. The enhanced heat transfer and the simultaneous reduction of material consumption allows the development and operation of efficient and sustainable heat exchangers.

Die Photobiotechnologie nutzt photosynthesegetriebene Bioprozesse zur nachhaltigen Synthese von Wertstoffen und Energieträgern. Diese Bioprozesse rücken vor allem durch die stoffliche Nutzung von CO2 als Kohlenstoff- und Licht als regenerative Energiequelle in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Trotz der enormen Vielfalt von geschätzten 500.000 Algenspezies werden zurzeit nur ca. 15 Mikro- und 220 Makroalgen technisch genutzt. Dieser Umstand ist u.a. dem geringen Prozessverständnis und den spezifischen Anforderungen der photobiotechnologische Prozesse an die technischen Systeme geschuldet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Kultivierungssysteme für die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen Rhodobacter sphaeroides DSM158, Chlamydomonas reinhardtii 11.32b und Chlorella sorokiniana UTEX1230 entwickelt und evaluiert. Die photofermentative Wasserstoffproduktion mittels R. sphaeroides DSM158 erfolgte in einem eigens dafür konzipierten gerührten Halogen-Photobioreaktor durchgeführt. Im Satzbetrieb wurde der Einfluss des volumetrischen Leistungseintrages (P0/VL) und der mittlere Bestrahlungsstärke (I0) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass R. sphaeroides DSM158 bei einer durchschnittlichen I0 von 2250 W m-2 und einem P0/VL von 0,55 kW m-3 im Satzbetrieb eine maximale Wasserstoffproduktionsrate (rH2) von 195 mL L-1 h-1 erzielt. Das Reaktorsystem wurde mittels optischer Ray Tracing Simulation, einer empirischer Simulation der Strahlungsverteilung und Computational Fluid Dynamics (CFD) charakterisiert, um die Prozessbedingungen für R. sphaeroides DSM158 zu analysieren. Der photofermentative Prozess wurde in ein kontinuierliches Verfahren überführt, welches unter optimalen Bedingungen von I0 = 2250 W m-1, einer Durchflussrate von 0,096 h-1 und einem C:N-Verhältnis von ca. 22,5 eine rH2 von 170,5 mL L-1 h-1 lieferte. Für Mikroalgen wurden Kultivierungssysteme für Suspensions- und immobilisierte Kulturen entwickelt und charakterisiert. Zur Kultivierung immobilisierter Mikroalgen wurde die Methode des Green Bioprinting etabliert, die auf der 3D-Bioprinting Technologie des Tissue Engineerings beruht. Bei diesem Verfahren werden Algenzellen über einen Extrusionsprozess in ein strukturiertes Hydrogel eingebettet. In vergleichenden Studien zum Wachstum in Suspensionskulturen konnte gezeigt werden, dass die Hydrogelumgebung ideale Bedingungen für das photoautotrophe Wachstum und die Zellviabilität von C. reinhardtii 11.32b und C. sorokiniana UTEX1230 liefert. Der MicrOLED-Bioreaktor bezeichnet ein miniaturisiertes Flat-Panel-Airlift (FPA)-Bioreaktor-system mit 15 mL Arbeitsvolumen und nichtinvasiver optischer Prozessüberwachung in Bezug auf zellspezifische Parameter (Zelldichte und Fluoreszenz) und Suspensionsparameter (pH, dO2 und dCO2). Hydrodynamische Untersuchungen der miniaturisierten FPA-Kultivierungskammer zeigten vergleichbare und damit skalierbare Eigenschaften zu Labor- und Produktions-FPA-Bioreaktoren. Im Zuge des MicrOLED-Bioreaktors wurden erstmals organische Leuchtdioden für den Einsatz in Photobioreaktoren verwendet und charakterisiert. Die geometrisch komplexen Bioreaktorkomponenten wurden mittels additiver Fertigungstechnologien aus Polyamid hergestellt und erlauben die Integration der optischen Elemente zur Überwachung des Bioprozesses in Echtzeit.

Scaffolds for bone tissue engineering are essentially characterized by porous three-dimensional structures with interconnected pores to facilitate the exchange of nutrients and removal of waste products from cells, thereby promoting cell proliferation in such engineered scaffolds. Although hydroxyapatite is widely being considered for bone tissue engineering applications due to its occurrence in the natural extracellular matrix of this tissue, limited reports are available on additive manufacturing of hydroxyapatite-based materials. In this perspective, hydroxyapatite-based three-dimensional porous scaffolds with two different binders (maltodextrin and sodium alginate) were fabricated using the extrusion method of three-dimensional plotting and the results were compared in reference to the structural properties of scaffolds processed via chemical stabilization and sintering routes, respectively. With the optimal processing conditions regarding to pH and viscosity of binder-loaded hydroxyapatite pastes, scaffolds with parallelepiped porous architecture having up to 74% porosity were fabricated. Interestingly, sintering of the as-plotted hydroxyapatite–sodium alginate (cross-linked with CaCl₂ solution) scaffolds led to the formation of chlorapatite (Ca₉.₅₄P₅.₉₈O₂₃.₈Cl₁.₆₀(OH)₂.₇₄). Both the sintered scaffolds displayed progressive deformation and delayed fracture under compressive loading, with hydroxyapatite–alginate scaffolds exhibiting a higher compressive strength (9.5±0.5 MPa) than hydroxyapatite–maltodextrin scaffolds (7.0±0.6 MPa). The difference in properties is explained in terms of the phase assemblage and microstructure

Von der ersten Idee bis zur Auslieferung eines Produktes laufen verschiedene Prozesse ab, die koordiniert und optimiert werden, um Produkte schnell zur Marktreife zu entwickeln. Die Digitalisierung von Prozessen sowie eine firmenweit einheitliche Datenplattform sind in der Produktentwicklung zwingend notwendig. Digitaler Zwilling, und PLM rücken in den Fokus. Die Herausforderung der Industrie liegt in der Optimierung von Produkten. Wo beginnt die Optimierung? Während der Konstruktion greifen verschiedene Optimierungstools in die Entwicklungsphase ein. Skalierbare FEM-Tools ermöglichen konstruktionsbegleitende Analysen. Verschiedene Konstruktions-Tools in der CAD-Lösung sparen Zeit und Kosten. Die Konstruktion der nächsten Generation Generative Konstruktion – bei der Modellerzeugung werden die Vorteile der additiven Fertigung einbezogen und somit die Bauteilkonstruktion optimiert. Reverse Engineering bietet die Möglichkeit direkt mit Facettendaten zu arbeiten und Flächen zu generieren. Convergent Modeling bietet die nahtlose Kombination von „B-Rep“-Volumen und „Facetten“-Modellen. Solid Edge Portfolio - die Zukunft der Produktentwicklung Solid Edge Apps erweitern den Funktionsumfang. Auf bestimmte Marktsegmente entwickelte Applikationen runden die Anwendungsmöglichkeiten ab.

Durch die neue Schweißfunktionalität in Creo 4, welche es ermöglicht Schweißnähte als Volumengeometrie zu modellieren, entstehen viele neue Möglichkeiten zur Berechnung der Spannungen innerhalb der Schweißnähte. Damit einhergehend entstehen neue Möglichkeiten zur Berechnung und Evaluierung dieser Schweißnähte nach den Richtlinien der FKM. Die Berechnung anhand der FKM-Richtlinien soll hierbei anhand der zwei Simulationstools Creo Simulate und Ansys Simulation dargestellt werden.

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