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

Das Ziel des ServFace Projektes ist es Endnutzern ohne umfangreiche IT-Kenntnisse das einfache Erstellen von servicebasierten Anwendungen zu ermöglichen. Dazu wird ein Kompositions- werkzeug mit dem Namen “ServFace Builder“ verwendet. Das Werkzeug erlaubt es Endnutzern, interaktive Anwendungen durch die Komposition von Service-Operationen zu erstellen. Dafür ist eine grafische Repräsentation der Service-Operationen durch UI-Fragmente notwendig. Die UI-Fragmente werden im ServFace-Umfeld als Frontends bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur automatischen Visualisierung dieser Frontends vorgestellt. Um das Ergebnis der Visualisierung zu verbessern, nutzt der Visualisierungsprozess neben der Service-Beschreibung weitere Informationen in Form von Annotationen und Gestaltungsempfehlungen. Konkret werden die folgenden Aspekte in dieser Arbeit beschrieben: • Visualisierung von Frontends zur Repräsentation von Service-Operationen auf Basis von Service-Beschreibungen, Annotationen, Plattformspezifikationen und Gestaltungsempfehlungen unter der Maßgabe der Gebrauchstauglichkeit und Nutzbarkeit. • Integration der Frontends in die jeweils aktuelle Instanzen des gegebenen Anwendungsmodells. • Technische Umsetzung und Evaluation der entwickelten Konzepte / The aim of the ServFace Project is to enable users with limited IT skills to easily create service-based applications. In order to do so, a tool called "ServFace Builder" has been developed. This tool allows users to build a composite application by combining several service operations. An important part of the ServFace Builder is the graphical representation of those service operations through user interfaces. This thesis describes an approach to automatically generate user interfaces for service operations. To enhance the graphical representation, the user interface generation process of the ServFace Builder comprises annotations and design recommendations next to the common service descriptions to enhance the result of the generation process. This thesis discusses: • Graphical representation of service operations on the basis of service descriptions, annotations, plattform specifications and design recommendations. • Integration of the graphical representation into the actual instance of the given application model. • Implementation and evaluation of the presented concepts.

Das Ziel des ServFace Projektes ist es Endnutzern ohne umfangreiche IT-Kenntnisse das einfache Erstellen von servicebasierten Anwendungen zu ermöglichen. Dazu wird ein Kompositions- werkzeug mit dem Namen “ServFace Builder“ verwendet. Das Werkzeug erlaubt es Endnutzern, interaktive Anwendungen durch die Komposition von Service-Operationen zu erstellen. Dafür ist eine grafische Repräsentation der Service-Operationen durch UI-Fragmente notwendig. Die UI-Fragmente werden im ServFace-Umfeld als Frontends bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur automatischen Visualisierung dieser Frontends vorgestellt. Um das Ergebnis der Visualisierung zu verbessern, nutzt der Visualisierungsprozess neben der Service-Beschreibung weitere Informationen in Form von Annotationen und Gestaltungsempfehlungen. Konkret werden die folgenden Aspekte in dieser Arbeit beschrieben: • Visualisierung von Frontends zur Repräsentation von Service-Operationen auf Basis von Service-Beschreibungen, Annotationen, Plattformspezifikationen und Gestaltungsempfehlungen unter der Maßgabe der Gebrauchstauglichkeit und Nutzbarkeit. • Integration der Frontends in die jeweils aktuelle Instanzen des gegebenen Anwendungsmodells. • Technische Umsetzung und Evaluation der entwickelten Konzepte / The aim of the ServFace Project is to enable users with limited IT skills to easily create service-based applications. In order to do so, a tool called "ServFace Builder" has been developed. This tool allows users to build a composite application by combining several service operations. An important part of the ServFace Builder is the graphical representation of those service operations through user interfaces. This thesis describes an approach to automatically generate user interfaces for service operations. To enhance the graphical representation, the user interface generation process of the ServFace Builder comprises annotations and design recommendations next to the common service descriptions to enhance the result of the generation process. This thesis discusses: • Graphical representation of service operations on the basis of service descriptions, annotations, plattform specifications and design recommendations. • Integration of the graphical representation into the actual instance of the given application model. • Implementation and evaluation of the presented concepts.

Am Anfang des Entwicklungsprozesses eines Gussbauteils für die Automobilbranche steht klassischerweise die konstruktive Ausarbeitung und die Auslegung auf Zielgrößen, wie Festigkeit, Steifigkeit bzw. die Erfüllung der Crashlasten. Im nächsten Entwicklungsschritt wird, oftmals in Zusammenarbeit mit externen Lieferanten, das Werkzeugkonzept entwickelt und die Herstellbarkeit mit Hilfe von Gießsimulationen abgesichert. Bei der Fertigung verursachen streuende Prozessgrößen, wie etwa Geschwindigkeits- oder Temperaturniveaus, Schwankungen in der Leistungsfähigkeit des Endprodukts (z. B. lokale Bruchdehnung oder Zugfestigkeit). Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessstabilität und zur Reduktion des Verschleißes konzentrieren sich oftmals auf die erfahrungsbasierte Verbesserung des Fertigungsprozesses und Anpassungen des Anguss- und Überlaufsystems. Größere Änderungen der Bauteilgeometrie sind häufig aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, optimierte modularisierte Grundgeometrien, wie Rippen oder Umlenkungen, mit Hilfe von numerischen Formoptimierungen zu entwickeln, um diese schon von Anfang an in der Bauteilentwicklung zu berücksichtigen. Als Zielfunktionen dienen strömungs- und strukturmechanische Kenngrößen, um einerseits verschleißfördernde Mechanismen und füllungsbedingte Defekte zu reduzieren und andererseits die Beanspruchbarkeit zu erhöhen. Bei den Untersuchungen wird zusätzlich die Robustheit des Ergebnisses analysiert, um Verbesserungspotenziale auch bei streuenden Randbedingungen realisieren zu können. / The virtual development process of an automotive casting part usually begins with classical design tasks and analyses of material strength, stiffness and crash load cases. In the next step, often in cooperation with external suppliers, the tooling concept is developed and casting simulations are used to ensure manufacturability. During manufacturing there is a scatter in process parameters, such as flow velocity or temperature levels, which in turn cause a scatter in the performance of the final product (e.g. local elongation at fracture or ultimate tensile strength). Means to increase process stability and yield are often limited to knowledge-based improvements of the manufacturing process parameters and adaptations of the gating and overflow system. Major changes to the part geometry are usually no longer possible due to project time constraints. Therefore it is the goal of this thesis to optimize modularized basic geometries, like ribs or bends, by using numerical shape optimizations and employ them right from the beginning of the part development process. For the objective functions of the optimizations the disciplines of fluid dynamic filling and the resulting structural behaviour are considered. In addition, the resulting shape is analyzed with regards to robustness towards scatter in manufacturing operating conditions. By using these new modularized geometries the overall robustness of the final product is expected to be increased.

Am Anfang des Entwicklungsprozesses eines Gussbauteils für die Automobilbranche steht klassischerweise die konstruktive Ausarbeitung und die Auslegung auf Zielgrößen, wie Festigkeit, Steifigkeit bzw. die Erfüllung der Crashlasten. Im nächsten Entwicklungsschritt wird, oftmals in Zusammenarbeit mit externen Lieferanten, das Werkzeugkonzept entwickelt und die Herstellbarkeit mit Hilfe von Gießsimulationen abgesichert. Bei der Fertigung verursachen streuende Prozessgrößen, wie etwa Geschwindigkeits- oder Temperaturniveaus, Schwankungen in der Leistungsfähigkeit des Endprodukts (z. B. lokale Bruchdehnung oder Zugfestigkeit). Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessstabilität und zur Reduktion des Verschleißes konzentrieren sich oftmals auf die erfahrungsbasierte Verbesserung des Fertigungsprozesses und Anpassungen des Anguss- und Überlaufsystems. Größere Änderungen der Bauteilgeometrie sind häufig aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, optimierte modularisierte Grundgeometrien, wie Rippen oder Umlenkungen, mit Hilfe von numerischen Formoptimierungen zu entwickeln, um diese schon von Anfang an in der Bauteilentwicklung zu berücksichtigen. Als Zielfunktionen dienen strömungs- und strukturmechanische Kenngrößen, um einerseits verschleißfördernde Mechanismen und füllungsbedingte Defekte zu reduzieren und andererseits die Beanspruchbarkeit zu erhöhen. Bei den Untersuchungen wird zusätzlich die Robustheit des Ergebnisses analysiert, um Verbesserungspotenziale auch bei streuenden Randbedingungen realisieren zu können.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis / The virtual development process of an automotive casting part usually begins with classical design tasks and analyses of material strength, stiffness and crash load cases. In the next step, often in cooperation with external suppliers, the tooling concept is developed and casting simulations are used to ensure manufacturability. During manufacturing there is a scatter in process parameters, such as flow velocity or temperature levels, which in turn cause a scatter in the performance of the final product (e.g. local elongation at fracture or ultimate tensile strength). Means to increase process stability and yield are often limited to knowledge-based improvements of the manufacturing process parameters and adaptations of the gating and overflow system. Major changes to the part geometry are usually no longer possible due to project time constraints. Therefore it is the goal of this thesis to optimize modularized basic geometries, like ribs or bends, by using numerical shape optimizations and employ them right from the beginning of the part development process. For the objective functions of the optimizations the disciplines of fluid dynamic filling and the resulting structural behaviour are considered. In addition, the resulting shape is analyzed with regards to robustness towards scatter in manufacturing operating conditions. By using these new modularized geometries the overall robustness of the final product is expected to be increased.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis