This thesis presents a design technology of forming a shaped lid focused on cutting, bending, drawing, as well as trimming and making the required holes. There is described several basic variants of sheet metal forming based on the literature. Production of holes of specified cover, for an annual production of 100 pieces of shaped lid, is solved by unconventional technologies. From subsequent economic evaluation of selected technologies is chosen an appropriate technology to minimize production costs.

Táto diplomová práca sa venuje vylepšeniu spektroskopu Torzne Detegovanej Elektrónovej Spinovej Rezonancie (TDESR) výmenou aktuálnej kapacitnej detekcie výchylky ohybného ramienka za optické metódy. Práca popisuje základy Elektrónovej Spinovej Rezonančnej (ESR) spektroskopie s dôrazom na TDESR a tému magnetizmu jednomolekulových magnetov. Následne je vysvetlená detekcia výchylky ramienka pomocou odrazu laserového zväzku a interferometrie. Všetky kroky nutné k skonštruovaniu spektrometra a jeho uvedenia do prevádzky sú podrobne popísané. Pomocou detekcie odrazu laserového zväzku sme úspešne získali vysoko kvalitné TDESR spektrá kryštálu jednomolekulového magnetu Fe4. Týmto meraním sme dokázali vhodnosť použitia tejto metódy a jej výraznú prevahu nad pôvodnou kapacitnou detekciou, najmä v oblasti kvality, rozlíšenia a rýchlosti. Zároveň sme na ďaľšie vylepšenie TDESR spektrometra navrhli a zostrojili zostavu využívajúcu na detekciu výchylky interferometer.

Laser beam cutting is an attractive and innovative manufacturing process which has many advantages compared to conventional cutting methods. However, with increasing workpiece thickness an increase of the roughness along the kerf surface can be observed, which, in turn, can negatively affect the mechanical properties, in particular the fatigue strength. In this context, the impact of laser cutting on fatigue behavior is discussed in this work. Specimens were cut out by disk laser from sheets with 2 mm, 4 mm and 6 mm thickness made of metastable austenitic stainless steel type AISI 304. Fatigue specimens with different surface conditions were tested in order to separately evaluate the influence of the different kinds of macroscopic defects produced by the cutting process. Additionally, the notch effect sensitivity for different amounts of deformation-induced α'-martensite induced before cyclic tests was evaluated using a specific notch geometry. Furthermore, based on the fact that high frequency testing is performed in the present investigation, the likely influences of test frequency on material response must be considered. For this reason and because metastable austenitic stainless steels are well known for their strain rate sensitivity, the steel AISI 304 and the role of surface micro-defects produced by laser beam cutting were analyzed regarding the influence of load frequency on the cyclic response and fatigue behavior, and the findings of the investigation are thoroughly discussed in this work. Fatigue tests were performed at load frequencies of 100 Hz and 1,000 Hz using two resonance pulsation test systems, as well as by means of a servo-hydraulic test machine at 1 Hz and 50 Hz. Fractographic analyses served to evaluate the failure-relevant characteristics responsible for crack initiation. Moreover, scanning electron microscopy was used to assess the changes caused by laser cutting on the geometrical and microstructural features. The qualitative analyses of the cut kerf characteristics were accomplished by means of optical microscopy. The cyclic deformation behavior was characterized based on the evaluation of stress-strain hysteresis loops and temperature measurements. The deformation-induced phase transformation from γ-austenite to α'-martensite was globally and locally evaluated by means of magneto-inductive measurements and electron backscattered diffraction analysis, respectively. The analyses showed that laser beam cutting creates three kinds of defects, which are a pronounced relief-like structure along the cut surface, burr in the underside of the cut edge and pores in the interface between the recast layer and base material or inside the recast layer. As a consequence, the fatigue strength of parts cut by laser beam is around 40% lower in comparison to specimens in a macroscopically quasi defect-free state. The most significant reduction of fatigue life is attributed to the notch effect of the burr, followed by the notch effect created by pores for 4 mm and 6 mm thick specimens, while surprisingly the influence of the surface relief is of minor significance. An evaluation of the fatigue results based on comprehensive fractographic analyses allows to explain the reasons for distinct differences between the aforementioned influence factors. Furthermore, the notch sensitivity of the steel AISI 304 increases as the amount of α'-martensite formed prior to the cyclic experiments becomes higher. Moreover, the impact of test frequency on the cyclic deformation response, deformation-induced phase transformation and fatigue behavior was characterized as well as the role of surface micro-defects on the fatigue behavior as a function of test frequency was identified. The assessment showed that higher amounts of α'-martensite formation and lower plastic strain amplitudes were observed when the cyclic experiments were carried out at lower frequency, promoting higher fatigue strengths. However, the influence of test frequency for specimens containing surface micro-defects is dominant in the low cycle fatigue to high cycle fatigue regime, whereas in the high cycle fatigue and very high cycle fatigue range the fatigue life determining parameter is the severity of the micro-notches present along the laser cut surface. / Das Laserstrahlschneiden stellt ein innovatives Verfahren dar, welches im Vergleich zu konventionellen Schneid prozessen eine Vielzahl an Vorteilen aufweist, aber mit zunehmender Blechdicke auch den entscheidenden Nachteil der Zunahme der Oberflächenrauheit der Schnittkanten, was sich negativ auf die mechanische Festigkeit, insbesondere die Schwingfestigkeit, auswirken kann. Deswegen ist die Anwendung dieser Technik zur Herstellung von strukturellen Bauteilen aufgrund der Bildung ausgeprägter Oberflächenreliefs und dem Fehlen zuverlässiger Schwingfestigkeitsdaten begrenzt. In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit die Auswirkungen des Laserschneidens auf das Ermüdungsverhalten diskutiert. Aus Blechen des metastabilen Austenitstahls AISI 304 mit Dicken von 2 mm, 4 mm und 6 mm wurden Proben mit Hilfe eines Scheibenlasers herausgeschnitten. Ermüdungsproben unterschiedlicher Oberflächenqualität wurden getestet, um den Einfluss der verschiedenen Arten von makroskopischen Defekten, die durch den Schneidprozess erzeugt wurden, separat zu bewerten. Zusätzlich wurde die Empfindlichkeit der Kerbwirkung bei unterschiedlichen Gehalten an verformungsinduziertem α'-Martensit, welcher vor den zyklischen Versuche erzeugt wurde, unter Verwendung einer spezifischen Kerbgeometrie ausgewertet. Außerdem, basierend auf der Tatsache, dass in der vorliegenden Untersuchung eine Hochfrequenzprüfung durchgeführt wurde, wurden der Stahl AISI 304 und die Rolle von Oberflächenmikrodefekten durch das Laserstrahlschneiden hinsichtlich des Frequenzeinflusses auf das zyklische Ansprechverhalten und Ermüdungsverhalten analysiert. Ermüdungsprüfungen wurden bei Frequenzen von 100 Hz und 1000 Hz unter Verwendung von zwei ähnlichen Resonanzpulsationstestsystemen, sowie mittels einer servohydraulischen Prüfmaschine bei 1 Hz und 50 Hz durchgeführt. Fraktographische Analysen dienten dazu, die für die Rissinitiierung verantwortlichen fehlerrelevanten Eigenschaften zu bewerten. Darüber hinaus wurde die Rasterelektronenmikroskopie verwendet, um die durch das Laserschneiden verursachten Veränderungen der geometrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften zu bewerten. Die qualitativen Analysen der Schnittkanteneigenschaften wurden mittels optischer Mikroskopie durchgeführt. Das zyklische Verformungsverhalten wurde anhand der Auswertung von Spannungs-Dehnungs-Hystereseschleifen und Temperaturmessungen charakterisiert. Die verformungsinduzierte Phasenumwandlung von γ-Austenit zu α'-Martensit wurde global und lokal mittels magneto-induktiven Messungen bzw. Elektronenrückstreubeugungsanalyse ausgewertet. Die Analysen zeigen, dass ein ausgeprägtes Relief entlang der Schnittfläche sowie ein Grat an der Unterseite der Schnittkante bei 2 mm, 4 mm und 6 mm dicken Platten gebildet wurden. Zusätzlich haben sich Poren in der Grenzfläche zwischen dem umgeschmolzenen Material und dem Grundmaterial oder innerhalb des umgeschmolzenen Materials bei den 4 mm und 6 mm dicken Platten gebildet. Infolgedessen zeigen die laserstrahlgeschnittenen Proben eine 40% niedrigere Dauerfestigkeit im Vergleich zu den Proben, welche in einem makroskopisch quasi defektfreien Zustand sind. Obwohl beim Schneiden dickerer Platten gröbere Oberflächen entstehen, ist die Verringerung der Dauerfestigkeit entgegen den Erwartungen unabhängig von der Probendicke. Die größte Verringerung der Ermüdungslebensdauer ist auf die Kerbwirkung des Grates zurückzuführen, gefolgt von der Kerbwirkung des Oberflächenreliefs für 2 mm dicke Platten bzw. des Einflusses von Poren im Fall der 4 mm und 6 mm dicken Platten. Ein Zusammenhang zwischen der Phasenumwandlung von γ-Austenit zu α'-Martensit, die durch zyklische Verformung entsteht, und der Lastfrequenz wurde nachgewiesen. Eine niedrigere Prüffrequenz ruft für den untersuchten unsymmetrischen Belastungsverlauf einen signifikanten zyklischen Kriecheffekt, höhere mittlere Dehnungsniveaus, höhere Mengen an α'-Martensitbildung, geringere plastische Dehnungsamplituden und daher höhere Ermüdungsfestigkeiten hervor. Bei Proben mit Oberflächenmikrodefekten, die durch das Laserstrahlschneiden erzeugt werden, hängt der Einfluss der Prüffrequenz auf das Ermüdungsverhalten vom aufgebrachten Belastungsniveau ab. Dieser Einfluss dominiert im LCF zu HCF Bereich, während im Übergang vom HCF in den VHCF Bereich die Ermüdungslebensdauer von der Schwere des Schadens abhängig ist, welcher in der Probe durch lebensdauerbestimmende, zufällig entlang der lasergeschnittenen Reliefoberfläche eingebrachten Mikrokerben hervorgerufen wird.

Konventionelles Laserstrahlschweißen von Halbzeugen aus höherfesten Stahlfeinblechen führt zum drastischen Verlust an Umformbarkeit im Schweißnahtbereich. Durch integrierte induktive Erwärmung können der Temperaturverlauf beim Schweißen modifiziert, die Verbindungseigenschaften beeinflusst und die Umformbarkeit verbessert werden. Die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und mechanischen Verbindungseigenschaften werden beschrieben und Anwendungspotenziale aufgezeigt.

In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung von Werkzeugen für das Presshärten mit Hilfe des additiven Fertigungsverfahrens Laser Beam Melting (LBM) untersucht. Dazu werden zunächst unterschiedliche Werkzeugstähle experimentell auf die Eignung zur Verarbeitung im LBM-Verfahren untersucht. Für einen dieser Werkzeugstähle werden anschließend die genauen Prozessparameter bei unterschiedlichen Vorwärmtemperaturen ermittelt. Es kann gezeigt werden, dass dieser Werkzeugstahl sowohl ohne, als auch mit Vorheizung des Prozesses verarbeitet werden kann. Die mechanischen Kennwerte der Vergleichsprobe aus geschmiedetem und vergütetem Material werden hinsichtlich der Bruchdehnung und Zähigkeit nicht erreicht. Eine höhere Vorwärmtemperatur hat jedoch einen positiven Einfluss auf die mechanischen Kennwerte. In einem modellhaften Verschleißversuch wird gezeigt, dass bei einer Vorwärmung der Bauplattform auf 500 °C sowie entsprechender Wärmebehandlung das Verschleißverhalten von geschmiedetem Material erreicht werden können.:1 Einführung 2 Technologische Grundlagen 3 Stand der Wissenschaft und Forschung 4 Voruntersuchung 5 Konzeption der Arbeit 6 Anlagentechnik 7 LBM von Werkzeugstählen 8 Werkstoffanalyse 9 Verschleißuntersuchungen 10 Zusammenfassung 11 Ausblick Literaturverzeichnis

This thesis investigates the differences in the design process when developing a product for additive manufacturing (AM) compared to traditional manufacturing methods, such as CNC machining. In recent years, additive manufacturing (AM), including metal-based laser powder bed fusion (L-PBF), has gained popularity, leading to increased adoption by companies. The design process for AM, particularly in the context of metals, differs compared to for traditional manufacturing methods. L-PBF, being a method based on highly concentrated laser beam fusion, offers a higher level of design freedom, enabling the creation of intricate shapes, internal structures, and varying wall thicknesses. In contrast, traditional manufacturing methods based on subtractive processes impose limitations on design possibilities due to tooling and machining constraints. Adapting to L-PBF requires designers to reconsider, re-think and redesign parts specifically for AM, taking into account factors suchas cost, knowledge requirements and build volume limitations. The application of L-PBF extends to various industries, including aerospace and performance automobiles. Designing for L-PBF opens up new possibilities for product development by leveraging the advantages of AM, such as design flexibility and topology optimization. Topology optimization allows for the creation of lightweight components while maintaining structural integrity. However, transitioning from traditional manufacturing to L-PBF presents challenges, requiring designers to navigate the unique considerations and constraints associated with AM. This research aims to enhance the understanding of the design process for AM, with a specific focus on L-PBF, and its implications for product development. By exploring the differences between AM and traditional manufacturing methods, this study contributes to the broader adoption and effective implementation of AM technologies in various manufacturing sectors. / Detta arbete undersöker skillnaderna i designprocessen vid utveckling av produkter för additive manufacturing (AM) jämfört med traditionella tillverkningsmetoder, såsom CNC bearbetning. På senare år har additiv tillverkning (AM), inklusive Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), blivit populärt och allt fler företag använder sig av tekniken. Designprocessen för AM, skiljer sig jämnfört med för traditionella tillverkningsmetoder. L-PBF erbjuder en hög grad av designfrihet och möjliggör avancerade former, interna strukturer och varierande väggtjocklekar. I kontrast begränsar traditionella tillverkningsmetoder, som bygger på subtraktiva processer, designmöjligheterna på grund av verktygs- och bearbetningsbegränsningar. Att anpassa sig till L-PBF kräver att designers omprövar och omdesignar delar specifikt för AM och tar hänsyn till faktorer som kostnad, kunskapskrav och begränsningar i byggvolymen. Användningen av L-PBF sträcker sig till olika branscher, inklusive luft- och rymdindustrin samt prestandabilar. Att designa för L-PBF öppnar upp nya möjligheter för produktutveckling genom att utnyttja fördelarna med AM, såsom designflexibilitet och topologioptimering. Topologioptimering möjliggör skapandet av lätta komponenter samtidigt som den strukturella integriteten bibehålls. Övergången från traditionell tillverkning till L-PBF innebär dock utmaningar och kräver att designers hanterar de unika övervägandena och begränsningarna som är förknippade med AM. Denna forskning syftar till att förbättra förståelsen för designprocessen för AM, med särskilt fokus på L-PBF, och dess implikationer för produktutveckling. Genom att utforska skillnaderna mellan AM och traditionella tillverkningsmetoder bidrar denna studie till en bredare användning och effektiv implementering av AM-teknologier inom olika tillverkningssektorer.

Under senare år har omfattande insatser gjorts för att främja mer hållbara flygtransporter i Europa. De konventionella tillverkningsmetoderna som används inom flyg- och rymdindustrin kräver betydande mängder råmaterial, vars utvinning, bearbetning och användning har negativa miljöeffekter. Därför finns det ett starkt incitament att utveckla nya, mer material-effektiva tillverkningsmetoder. Additiv tillverkning (AM), även känd som 3D-printining, har fördelen att direkt komma nära den slutliga formen på strukturer genom att lägga till material endast där det behövs, något som minimerar spill och förbättrar materialanvändningen. Dock utgör införandet av AM komponenter i säkerhetskritiska flyg- och rymdtillämpningar en betydande utmaning på grund av komplexiteten hos processerna. Denna komplexitet kan leda till tillverkningsvariationer som i sin tur kan resultera i defekter i de tillverkade strukturerna. Därför är framsteg inom automation genom utvecklingen av lösningar för övervakning och styrning under processens gång ett nödvändigt steg för att uppnå tillräcklig pålitlighet och repeterbarhet. Denna avhandling presenterar en utveckling av multisensorövervakning och styrning av Directed Energy Deposition (DED) med en laservärmekälla (LB). DED-LB är en avancerad teknik som möjliggör tillverkning av storskaliga metallkomponenter nära den slutliga formen. I detta arbete har lösningar undersökts för övervakning av DED-LB med tillsatspulver och tråd. För fallet med tillsatstråd kan denna kompletteras med resistiv förvärmning (så kallad hotwire), vilket ger möjlighet att ytterligare finjustera värmetillförseln och förbättra smältprocessen. För övervakningsändamål undersöktes tre olika in-situtekniker för processens stabilitet och varians. Maskinseende och elektriska givare användes för DED-LB med tillsatstråd (DED-LB/w), medan optisk spektroskopi användes för övervakning både av processen med tillsatspulver (DEDLB/p) samt med tråd. Ett multisensorsystem baserat på de tre teknologierna testades för DED-LB/w. Det kamerabaserade systemet gav tydliga indikationer på avvikelser från nominella processförhållanden. Spännings-och strömgivarnas signaler korrelerade med förändringar i processparametrar och återspeglade tydligt metallöverföringen. Spektrometersystemet indikerade förändringar relaterade till värmeöverföringen. Dessutom möjliggjorde analysen av erhållna spektra en detektering av förluster av viktiga legeringselement under DED-LB/p. Slutsatsen från resultaten understryker behovet av multisensorövervakning, eftersom det inte bara möjliggör detektering och skattning av processförändringar utan även en bättre förståelse av deras grundorsaker. Den presenterade ansatsen är ett viktigt bidrag i utvecklingen av ett framtida robust och feltolerant automatiskt styrsystem. / In recent years, an extensive effort has been made to leap European aviation towards more sustainable transportation. Conventional manufacturing methods used in aerospace industry require significant amounts of raw materials, whose extraction, processing, and utilization have adverse environmental impacts. Thus, there is a strong motivation to develop novel, more material efficient fabrication methods. Additive Manufacturing (AM), also known as 3D-printing, offers the advantage of manufacturing near-net-shape structures by adding material only where it is needed, minimizing waste, and improving material efficiency. However, introducing AM fabricated structures as components in safety-critical aerospace systems poses a significant challenge due to the inherent complexity of AM processes. This complexity can result in variations that may lead to defects or inconsistencies in the fabricated structures. Thus, increasing automation by developing in-process monitoring, and control solutions is the vital step to reach the necessary reliability and repeatability. This thesis presents development towards multi-sensor monitoring and control of Directed Energy Deposition (DED) using a Laser Beam (LB). DED-LB is an advanced technology that allows to manufacture large-scale, near-net-shape metallic parts. In this work, in-process monitoring solutions for DED-LB with feedstock powder and wire were investigated. The set-up of the latter was complemented by resistive pre-heating of the feedstock wire (hot-wire) which provided means of fine-tuning the heat input and improving metal fusion. Formonitoring purposes, three different in-situ techniques were investigated to monitor process stability and variability. Machine vision and electrical sensing were utilized during DED-LB with feedstock wire (DED-LB/w) depositions,while optical emission spectroscopy was used for monitoring processes with feedstock powder (DED-LB/p) as well as wire. A multi-sensorsystem based on the three sensing technologies was tested during DED-LB/w depositions. The vision system gave clear indications of variations from nominal conditions. Voltage and current sensors indications correlated to changes in process parameters and reflected well the metal transfer (liquid bridge) condition.The spectrometer system indicated well changes related to heat input. In addition, analysis of obtained spectra allowed to detect losses of vital alloying element during DED-LB/p. The main conclusion from the results underlines the need for simultaneous multi-sensor monitoring as it allows not only to detect and estimate process changes but also to better interpret their root causes. Such setup will positively enable a future robust, fault tolerant control system. / <p>Paper 3 is under acception but included in this thesis with CC BY-license.</p>

In this thesis, an investigation into the modal characteristics of novel beam shapes is presented. Sculpting the phase profile of a Gaussian beam can result in the generation of a beam with unique properties. Described in this thesis are Laguerre-Gaussian (LG), Hermite-Gaussian (HG) and Bessel beams (BBs). The diffraction of LG beam modes from a triangular aperture is explored and this effect can be used for the efficient measurement of the azimuthal mode index l that indicates the number of multiples of 2π of phase changes that the field displays around one circumference of the optical axis. In this study, only LG beams with zero radial mode index p, with p + 1 denoting the number of bright high intensity concentric rings around the optical axis, were considered. Then, a powerful approach to simultaneously determine both mode indices of a pure LG beam using the principal component analysis (PCA) algorithm on the observed far-field diffraction patterns was demonstrated. Owing to PCA algorithm, the shape of the diffracting element used to measure the mode indices is in fact of little importance and the crucial step is ‘training' any diffracting optical system and transforming the observed far-field diffraction patterns into the uncorrelated variables (principal components). Our PCA method is generic and it was extended to other families of light fields such as HG, Bessel and superposed beams. This reinforces the widespread applicability of this method for various applications. Finally, both theoretically and experimentally investigations using interferometry show the definitive linkage between both the radial and azimuthal mode indices of a partially coherent LG beam and the dislocation rings in the far-field cross-correlation function (CCF).

The aim of this project was to produce an integrate-able free space optical transceiver for Specks. Specks are tiny computing units that together can form a powerful network called a SpeckNet. The SpeckNet platform is developed by the SpeckNet consortium, which consists of five Scottish Universities and combines computer science, electrical engineering and digital signal processing groups. The principal goal of creating an optical transceiver was achieved by integrating in-house fabricated VCSELs (with lasing thresholds below 400 uA) and custom designed detectors on the SpeckNet platform. The transceiver has a very low power consumption (approximately 100 uW), which removes the need for synchronous communication through the SpeckNet thus making the network more efficient. I describe both static and dynamic beam control techniques. For static control, I used micro-lenses. I fabricated the lenses by greyscale electron beam lithography and integrated them directly on VCSEL arrays. I achieved a steering angle of 10 degrees with this design. I also looked at integrated gratings etched straight into a VCSEL and observed beam steering with an efficiency of 60% For dynamic control, I implemented a liquid crystal (LC) design. I built a LC cell with 30 individually controlled pixels, but I only achieved a steering angle of 1 degree. Furthermore, I investigated two different techniques for achieving beam steering by interference, using coupled VCSELs (a phased array approach). Firstly, using photonic crystals etched into the surface of the VCSEL, I built coupled laser cavities. Secondly, I designed and built bow-tie type VCSELs that were optically coupled but electrically isolated. These designs work by differential current injection causing an interference effect in the VCSELs far field. This technique is the first stepping stone towards realising a phased optical array. Finally, I considered signal detection. Using the same VCSEL material, I built a resonant-cavity detector. This detector had a better background rejection ratio than commercially available silicon devices.

Gegenstand der Dissertationsschrift ist eine Darstellung des gegebenen Wissensstandes zum Scherschneiden anhand der Literatur, mit einer Einordnung des Schrägschneidens. Auf dieser Grundlage erfolgt eine Verfahrens- und Prozeßbeschreibung des Schrägschneidens, als Variante des Scherschneidens, insbesondere eine Untersuchung des auftretenden Verschleisses. Es wird die Anwendung des Laser-Pulver-Auftragschweißen an Schneidwerkzeugen zur Verschleißminimierung erprobt und bewertet.