Auf der Grundlage technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Kriterien werden drei Prototypen unterschiedlicher Anwendungen in Holz- und Metallbauweise untersucht und deren Unterschiede bewertet. / Based on technical, economic and ecological criteria, three prototypes of different applications in wood and metal construction are examined and their differences are evaluated.

Es wird aufbauend auf einen Vertikalförderer in Metallbauweise die konstruktive Umsetzung eines Vertikalförderers in Holzbauweise beschrieben und dessen Schwingungs- und Auslenkungsverhalten in labormäßigen Untersuchungen analysiert und bewertet. Ein Vergleich der Holz- und Metallbauweise hinsichtlich technischer (Gewicht), ökonomischer (Kosten) und ökologischer Kriterien Primärenergiebedarf, Treibhauspotential) ordnet die Holzbauweise in den Stand der Technik ein. / Based on a vertical conveyor in metal construction, the structural implementation of a vertical conveyor in wood construction is described and its vibration and deflection behavior is analyzed and evaluated in laboratory studies. A comparison of wood and metal construction in terms of technical (weight), economic (cost) and ecological criteria (primary energy demand, global warming potential) classifies the wood construction in the prior art.

Themen wie Verfügbarkeit der Rohstoffe, Materialsubstitution, Umweltverträglichkeit, Schonung der Ressourcen, aber auch Produktionskosten werden immer häufiger als Bewertungskriterien herangezogen. Die Notwendigkeit der intensiven Zusammenarbeit unterschiedlicher Fachdisziplinen rückt immer mehr in den Mittelpunkt, wenn innovative Lösungen für neue Anwendungen gefragt sind. Das Projekt AMARETO wurde mit dem Ziel initiiert, im Rahmen einer engen Kooperation der TU Bergakademie Freiberg, der TU Dresden, der TU Chemnitz und des Fraunhofer IWU deren herausragende Spitzenforschung zusammenzuführen und praxisnah umzusetzen, um die anwendungsnahe Forschung weiter voranzutreiben und den wissenschaftlichen Vorlauf in Sachsen wertschöpfend zu verankern. Unter dem Motto »Vom Werkstoff zum ressourcenschonenden Produkt« trafen sich am 31. Mai 2018 Vertreter von Politik, Wirtschaft und Wissenschaft in Chemnitz zum ersten AMARETO-Kolloquium, um aktuelle Fragestellungen in den Bereichen Werkstoff-, Bauteil und Prozessentwicklung zu diskutieren. Im vorliegenden Tagungsband berichten die Projektmitarbeiter und -leiter gemeinsam über ihre aktuellen Forschungsergebnisse. Wesentlicher Ansatz des Projekts AMARETO ist es, die im Rahmen der Produktentstehung zu bearbeitenden Teilaufgaben – Entwicklung der Werkstoffe, Gestaltung und Dimensionierung von Bauteilen sowie Erarbeitung von Produktionsstrategien – enger miteinander zu verknüpfen und parallel sowie abgestimmt zu bearbeiten. Dies spiegelt sich im Tagungsband durch die Einbeziehung der Bereiche Smart Material, Smart Design und Smart Production wider. / Topics such as availability of raw materials, material substitution, environmental compatibility, conservation of resources, but also production cost are increasingly used as criteria for evaluation. The need for intensive cooperation between different disciplines becomes more and more important when innovative solutions for new applications are required. The AMARETO project was initiated with the aim of bringing together the outstanding top-level research of TU Bergakademie Freiberg, TU Dresden, TU Chemnitz and Fraunhofer IWU within the framework of close cooperation. A further project goal is the implementation of this research in a practical manner in order to further advance application-oriented research and anchor the scientific lead in Saxony in a value-adding manner. On 31 May, 2018 representatives from politics, industry and science met in Chemnitz for the first AMARETO colloquium under the heading 'From material to resource-saving product' to discuss current issues in the areas of development regarding materials, components and processes. In these conference proceedings, the project members and managers report together on their current research results. The main approach of the AMARETO project is to closely link the required subtasks of product development with each other - development of materials, design and dimensioning of components as well as the development of production strategies - and to work on them in parallel and in a coordinated manner. This is reflected in the conference proceedings due to the inclusion of the areas of Smart Material, Smart Design and Smart Production.

Der Leichtbau zählt zu den Schlüsseltechnologien vieler Industriebranchen und favorisiert ressourcen- und energieeffiziente Strukturbauteile und Konstruktionen mit belastungs- und funktionsgerechten Eigenschaften. Unabhängig vom Einsatzgebiet besteht der Anspruch des Leichtbaus darin, Systeme zu gestalten und herzustellen, die sich infolge Ausnutzung aller Varianten von Tragstrukturen, Werkstoffen und Herstellungs-technologien durch ein geringeres Gewicht bei gleichzeitiger Verbesserung der Eigenschaften bzw. Erhöhung der Gebrauchsgüte auszeichnen. Entscheidende Voraussetzungen für die Anwendung des Leichtbaus sind leichte und hochbelastbare Werkstoffe, innovative filigrane Konstruktionen, sowie integrierte Systeme zur Erfassung von Beanspruchungen. An der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung werden im Forschungsbereich Leichtbau im Bauwesen faser- und textilverstärkte, funktionsintegrierte Leichtbautragwerke entwickelt, gefertigt und prüftechnisch verifiziert und validiert. Dabei stehen die Methoden Materialleichtbau, Strukturleichtbau und Systemleichtbau im Vordergrund. Diese können auf unterschiedliche Art miteinander kombiniert werden. Die Substitution von Werkstoffen höherer Dichte durch leichtere Materialien und Werkstoffkombinationen unter Beibehaltung bzw. Steigerung von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften wird als Materialleichtbau bezeichnet. Dabei erfolgt die Gewichtsreduzierung der Konstruktion durch das verwendete Material. Beim Strukturleichtbau werden Produkte unter Nutzung von neuen Strukturen leichter ausgeführt, was eine Ermittlung und Optimierung der Art, Anzahl und Anordnung der Bauteile, aus denen die tragende Struktur mit minimalem Gewicht gebildet wird, umfasst. Der Systemleichtbau favorisiert die leichtbaugerechte Optimierung der Tragkonstruktion. Ziel ist es, leichte hochbeanspruchte Konstruktionen und neue Gestaltungsvarianten für filigrane Tragwerke mit hoher Funktionsintegration zu entwickeln und gemeinsam mit Architekten, Planern und Bauunternehmen auf den Markt zu bringen, denn wir forschen für die Praxis. In der vorliegenden Veröffentlichung wird das Forschungsprojekt „Neue leichtbaugerechte Strukturkomponenten und Verarbeitungstechnologien für Anwendungen in Tragwerken“ von der Idee bis zum Referenzobjekt beschrieben.

Die Arbeit stellt ein Messsystem zur Überwachung von hochbelastbaren Leichtbauwerkstoffen, den Faserkunststoffverbunden vor. Speziell die Materialdehnung und die Eigenfrequenzen rotatorischer Systeme stellen als Schäden im makroskopischen Bereich eine Herausforderung an das Messsystem dar. Aber auch mikroskopische Erscheinungen wie Delaminationen oder Zwischenfaserbrüche gilt es an diesen Bauelementen zu erfassen.

Neuartige Hybridgarn-Textil-Thermoplaste (HGTT) ermöglichen die automatisierte Fertigung von Faserverbundbauteilen in serienfähigen Taktzeiten. Im Rahmen des Produktionstechnischen Zentrums der TU Dresden (ProZeD) und mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wurde ein solcher Fertigungsprozess entwickelt und gestaltet. In diesem wird das Bauteil in zwei wesentlichen Schritten aus textiler Rollenware durch einmaliges Erwärmen und Konsolidieren bei gleichzeitiger Formgebung hergestellt. Im ersten Schritt erfolgt der endkonturnahe Zuschnitt, sowie für dickwandigere Bauteile das Übereinanderlegen mehrerer textiler Preforms und deren Fixierung gegen Verrutschen. Für diesen Prozessschritt wurden das Plasmaschneiden als Trennverfahren von HGTT untersucht und ein Abwicklungsmechanismus für die Rollenware sowie ein Greifersystem für das verzugsfreie Handling der Preform entwickelt. Kernstück der technischen Umsetzung ist dabei eine Parallelkinematik, die a) den Plasmabrenner zum Ausschneiden der Preform führt, b) das Handling der Lagen übernimmt und c) durch optische Überwachung der Faserlage die Qualität sichert. Im zweiten Prozessschritt wird in einem angetriebenen Werkzeug das Material durch Heißpressen konsolidiert. Zur Sicherung einer effektiven Temperierung wird beim Werkzeug auf das MELATO-Prinzip zurückgegriffen und dessen mögliche Einsatzbedingungen untersucht. Ziel von EFFEKT ist es, den Prozess zur Serienreife weiter zu entwickeln, d. h. durch Optimierung der Prozessparameter die Taktzeiten zu minimieren, die gleichbleibende Qualität des Fertigteils sicherzustellen sowie ohne Verschnitt und Ausschuss ressourcenschonend zu fertigen.

Der Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe im Strukturleichtbau ziviler Luftfahrzeuge wird erheblich durch Produktionsautomatisierung getrieben. Einzelne Komponenten der für die Verarbeitung der duroplastischen Werkstoffe genutzten Automated-Fiber-Placement Anlagen bieten jedoch noch erhebliches Potential für die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Prozesses. Insbesondere ist der prozessspezifische Entwicklungs- und Kenntnisstand des Erwärmungssystems gegenüber der Verfahrensvariante mit thermoplastischen Werkstoffen weniger fortgeschritten. So weisen die dort genutzten Diodenlaser Vorteile in der Reaktionszeit, der Homogenität der Erwärmung und ihrer Regelbarkeit gegenüber den im AFP genutzten Infrarotstrahlern auf. Letztere haben jedoch einen geringeren Bauraumbedarf sowie geringere Kosten und Sicherheitsanforderungen. Um die Vorteile beider Erwärmungssysteme für das AFP zu kombinieren, wurde in dieser Arbeit ein neuartiges Erwärmungssystem entwickelt. Kernstück des Lösungsansatzes ist dabei die Nutzung von LEDs als Strahlungsquellen. Grundlegende Prozess- und Materialuntersuchungen ermöglichen die Auswahl geeigneter LEDs und deren Anordnung zu einem prozessgerechten LED-Strahler. Dessen anlagentechnische Integration zu einer Strahlereinheit ermöglicht eine aktive Kontrolle des Profils der abgegebenen Strahlung, um ohne weitere Hilfsmittel eine Anpassung an unterschiedliche Prozessgegebenheiten zu erlauben. Zur Erprobung wurde die Strahlereinheit in eine Versuchsumgebung, welche den AFP-Prozess vereinfachend auf Labormaßstab abbildet, integriert. Die Baumraumbeschränkungen üblicher Infrarotstrahlersystem finden hierbei Berücksichtigung. In der Erprobung wurden bidirektionale Laminate hergestellt und die erzielte Oberflächentemperatur gemessen. Dabei zeigte sich, dass das neuartige Erwärmungssystem sehr gut geeignet ist, den benötigten Wärmeeintrag für den Prozess zuverlässig zu liefern. Anschließend wurde in weiteren Versuchen festgestellt, dass das vorliegende System prinzipiell bereits in der Lage ist, den Anforderungen eines industriellen Prozesses in puncto erzielbarer Ablegegeschwindigkeit gerecht zu werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Reaktionszeit beim Anfahren und Stoppen des Ablegekopfes durch eine aktive Kontrolle des Profils der abgegebenen Strahlung kurzgehalten und so ein sehr gut kontrollierbares Erwärmungsverhalten erzielt werden kann. Da für eine robuste Prozessgestaltung auch eine präzise Vorhersage der Erwärmung des Materials vonnöten ist, wurde ein numerischen Modell des Energieeintrags und der dadurch verursachten Erwärmung entwickelt. Dabei war es zudem das Ziel, die lokale Verteilung des eingebrachten Wärmestroms zu analysieren und mit dem neuartigen Erwärmungssystem vorhersehbar zu beeinflussen. Dazu wurde ein optisches Modell entwickelt, welches auf numerischer Basis den Energieeintrag jeder einzelnen LED in das Substrat zu bestimmen gestattet. In der anschließenden Simulation wurde eine Konfiguration ermittelt, welche eine nahezuhomogene Verteilung der eingebrachten Wärmeleistung über der bestrahlten Fläche ermöglicht. Die Berechnungsergebnisse konnten zudem auf rein optischer Basis mit sehr guter Übereinstimmung experimentell validiert werden. Der so bestimmte Wärmestrom wurde zudem als Eingangsgröße für ein Prozessmodell der Erwärmung genutzt. Für dieses Prozessmodell wurde ein erweiterter zweidimensionaler Ansatz genutzt, um den dreidimensionalen Erwärmungsvorgang effizient abzubilden. In der abschließenden Validierung zeigte sich eine prinzipiell hohe Übereinstimmung von Theorie und Experiment. Die Fähigkeit des neuartigen LED-Erwärmungssystems, die Temperaturgradienten normal zur Ablegerichtung im bestrahlten Substrat gezielt einstellen zu können, wurde dabei bestätigt. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte, neuartige LED-Erwärmungssystem ermöglicht durch die Kombination der Vorteile von Infrarotstrahlern und Diodenlasern wesentliche Fortschritte für die Weiterentwicklung des industriellen AFP. So ergeben sich durch die Verwendung standardisierter LEDs und dem damit ermöglichten flexiblen Aufbau des Erwärmungssystems Möglichkeiten zur Kostensenkung in der Entwicklung neuer Ablegeanlagen. Der Betrieb und die Wartung solcher Anlagen kann zudem energieeffizienter und damit günstiger gestaltet werden. Weiterhin ergibt sich durch die zuverlässigere Messung der Temperatur die Möglichkeit, robustere Regelkreise zu integrieren. Dies wird weiter begünstigt durch die schnelle Reaktion der Strahlungsquellen, was zudem eine Reduktion der Fertigungszeit insbesondere bei komplexen Bauteilen ermöglicht.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik 2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde in der Luftfahrt 2.2 Automatisierte Ablegeverfahren 2.3 Bestehende Erwärmungssysteme für Ablegeverfahren 2.4 LEDs als Strahlungsquellen 2.5 Vergleich der Erwärmungssysteme 3 Entwicklung eines LED-basierten Erwärmungssystems 3.1 Anforderungen, Rahmenbedingungen und Zielgrößen 3.1.1 Anforderungen 3.1.2 Rahmenbedingungen 3.1.3 Zielgrößen 3.2 Anlagenkonzept 3.3 Entwicklung eines LED-Strahlers 3.3.1 Prozessmodell zur Auslegung 3.3.2 Spektrales Absorptionsverhalten des Materials 3.3.3 Auswahl geeigneter LEDs 3.3.4 Anordnung der LEDs zu einem LED-Strahler 3.4 Weitere Komponenten und Integration des LED-Strahlers 3.4.1 Aufbau einer Steuereinheit 3.4.2 Aufbau eines Versuchsstands 3.4.3 Montagekörper der LED-Strahlereinheit 3.4.4 Integration des Erwärmungssystems 3.5 Erprobung des Erwärmungssystems 3.5.1 Ablegeversuche 3.5.2 Variieren von Geschwindigkeit und Leistung 3.5.3 Einstellen der Reaktionszeit 3.6 Ergebnisdiskussion 4 Prozessmodell zum optischen Energieeintrag 4.1 Modellentwicklung 4.1.1 Modellannahmen 4.2 Numerische Implementation 4.2.1 Abbilden der diskreten Geometrie 4.2.2 Berechnen des Wärmestroms, der Wärmestromdichte und der Bestrah- lungsstärke 4.3 Simulieren unterschiedlicher Eingangsverteilungen 4.3.1 Eingangsverteilung aus Auslegung und Ablegeversuchen 4.3.2 Einstellen unterschiedlicher Verteilungen 4.4 Validierung 4.4.1 Versuchsaufbau und -durchführung 4.4.2 Auswertung 5 Prozessmodell des Erwärmungsvorgangs 5.1 Modellentwicklung und Materialparameter 5.1.1 Anforderungen und Annahmen 5.1.2 Materialparameter 5.2 Implementierung und Berechnung 5.2.1 Implementierung 5.2.2 Berechnung und Simulationsergebnisse 5.3 Validierung des thermischen Modells 5.3.1 Methodik und Versuchsaufbau 5.3.2 Auswertung und Vergleich mit Simulationsergebnissen 6 Potenzialanalyse zum Einsatz des LED-Erwärmungssystems 6.1 Kostensenkung in der Anlagenentwicklung und im Betrieb 6.2 Verbesserung der Prozesskontrolle 6.3 Verkürzung der Prozesszeit 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den aktuell bestehenden Herausforderungen der Technologie der additiven Fertigung in Form des selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM). Es soll sich mit den Aspekten des Leichtbaus beim SLM-Verfahren beschäftigt werden. Dies geschieht mit zwei theoretischen Lösungsansätzen zur Gewichtsreduzierung von Bauteilen: 1. der Einsatz von Werkstoffen geringerer Dichte oder von neuen hochfesten Werkstoffen; 2. neue Bauweisen durch neue Konstruktions- und Werkstoffaufbauprinzipien. Praktisch erfolgt der erste Ansatz durch die Entwicklung von Prozessparametern und deren Einfluss auf das Gefüge von - für das SLM-Verfahren - neuen Leichtbauwerkstoffen, den Titanaluminiden (TiAl). Aus der großen Spanne von verschiedenen TiAl-Legierungen wurden für diese Arbeit folgende Vertreter Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 und Ti48Al48Cr2Nb2 aufgrund ihres guten Eigenschaftsspektrums und der unterschiedlichen Erstarrungsvoränge gewählt. Aufgrund der hohen Anzahl von Einflussgrößen sollen verschiedene Ansätze, wie statistische Versuchspläne oder Einzelbahncharakterisierungen, verfolgt werden, um eine effiziente und schnelle Parameteroptimierung zu erzielen. Der zweite Ansatz verfolgt die Herstellung verschiedener Gitterstrukturen aus 1.4404-Stahl (X2CrNiMo 17-12-2). Durch das Fertigen von Gittern mit verschiedenen relativen Dichten, was über eine Variation der Durchmesser der Streben erreicht wird, sowie das mechanische Testen dieser, ist es möglich, eine Datengrundlage für zukünftige Konstruktionen zu erstellen.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I / This work deals with the currently existing challenges of technology of additive manufacturing in the form of selective laser melting (SLM). The aspects of lightweight construction with the SLM process will be highlighted. This is done with two theoretical approaches to weight reduction of components: 1. the use of materials of lower density or new high-strength materials; 2. new construction methods through new design and material construction principles. In practice, the first approach is performed through the development of process parameters and their influence on the microstructure of - for the SLM-process – a new lightweight material, the titanium aluminide (TiAl). Among the large range of various TiAl alloys the following two representatives Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 and Ti48Al48Cr2Nb2 were chosen because of their good property spectrum and their different solidification behavior. The second approach pursued the production of various lattice structures made of 1.4404 steel (X2CrNiMo 17-12-2). By fabricating lattices with different relative densities, which is achieved by varying the diameter of the struts, and the mechanical testing of those, it is possible to create a data base for future construction principles.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I

Motivation - Komplexe Anforderungen an die Karosserie - Unbekannte Auswirkungen von Parametervariationen in der frühen Phase - Informationsdefizit führt zu Iterationsschleifen Ziel Beurteilung der Auswirkung von Parametervariationen von Werkstoffen, Produktionsverfahren, Geometrien auf die Karosserie-Eigenschaften

unregelmäßig erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz