Forum AM Science - Teil 2

DONNERSTAG, 7. JUNI 2018

Ort: CongressCenter, EG, Raum Carl Zeiss links

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08:30 - 09:30
Check-In
09:30 - 09:35
Begrüßung Carl-Zeiss Saal
09:35 - 10:30

Die additive Fertigung ist eine aufstrebende Fertigungstechnologie für die Erdöl- und Erdgasindustrie und bietet ein großes Potential für Innovationen. Diese sind in allen Bereichen (Fullstream) der Erdöl- und Erdgasindustrie, wie die Erschließung von komplexen Erdöl- und Erdgasvorkommen und Produktion (Upstream), Transport der Rohstoffe (Midstream) sowie die Raffinierung und Weiterverarbeitung (Downstream) notwendig, um jetzt und in Zukunft Energie sicher und bezahlbar zu Verfügung zu stellen.
Im Vergleich zu Branchen wie die Medizin- oder Luft- und Raumfahrttechnik ist der Bedarf an additiv gefertigten Bauteilen in der Erdöl- und Erdgasindustrie noch klein. Dennoch sind die Anforderungen an die meist metallischen Bauteile zum Teil deutlich höher, sodass Fertigungstechnologien und Materialien der anderen Branchen nicht übernommen werden können. Bei den meisten Produkten wird neben einer hohen Festigkeit auch noch eine hohe Beständigkeit gegen Abbrasion, Erosion und Korrosion gefordert, was gerade unter den wirkenden meist dynamischen Belastungen z.B. bei Bohrvorgängen schwer zu erreichen ist. Zusätzlich müssen die Bauteile eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, um Sicherheit, Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit bei Erschließung, Förderung, Transport und Weiterverarbeitung der Rohstoffe zu gewährleisten. All diesen Herausforderungen muss sich die junge Technologie der additiven Fertigung in der Erdöl- und Erdgasindustrie stellen.
Aufgrund der vielen Vorteile der additiven Fertigung wird der Ausbau der Technologie angefangen von der Forschung und Entwicklung über das Produktdesign bis hin zur industriellen Fertigung stark gefördert. Die Additive Fertigung bietet hier die Möglichkeit zur Herstellung von innovativen Bauteilen mit neuen Funktionen, die Verarbeitung neuer Materialien sowie eine signifikante Reduzierung von Produkteinführungszeiten. Von besonderem Interesse ist vor allem die dezentrale Fertigung von Bauteilen und Ersatzteilen, die eine schnelle Versorgung von entlegenen Standorten ermöglicht. Die additive Fertigung ist somit eine wichtige Technologie für Innovationen in der Erdöl- und Erdgasindustrie, die elementar für die Deckung des Energiebedarfs dieser und aller nachfolgenden Generationen sind.

Keynote 3
Christoph Wangenheim | Baker Hughes, a GE Company

Christoph Wangenheim hat Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover im
Diplomstudiengang studiert und diesen erfolgreich Ende 2008 abgeschlossen. Nach einem
Direkteinstieg als Fertigungsingenieur bei Baker Hughes in Celle, beschäftigt HerrWangenheim sich
seit 2012 mit der additiven Fertigung von metallischen Komponenten. Während eines Expat
Aufenthaltes für zwei Jahre imHeadquarter von Baker Hughes in Houston hat HerrWangenheimdie
additive Fertigung federführend im Konzern innerhalb einer internationalen Gruppe an zwei
Standorten (Houston und Celle) aufgebaut und geleitet. Seit Mitte 2016 ist Herr Wangenheim am
einem der größten Technologie Standorte in Celle für die additiven Fertigungstechnologien seitens
der Entwicklung, Material Qualifikation, Design und der Produktion von metallischen und
nichtmetallischen Komponenten für die Produktlinie Drilling Services verantwortlich.

10:30 - 11:00
Pause
Session 3
Moderation: Dr.-Ing. Andreas Wegner, AM Polymer Research UG
11:00 - 11:30

Das Laser-Sintern ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren, dem wesentliches Potenzial zum Additive Manufacturing zugeschrieben wird [1 bis 3]. Die Prozessstabilität und Bauteilqualität hängt dabei verfahrensbedingt maßgeblich von robusten Prozessparametern u. a. bei der Materialkonsolidierung ab. Die Auswirkungen bislang nicht untersuchter Auftragsparameter und deren Einfluss auf die erreichbaren Packungsdichten werden im Zusammenhang mit der Oberflächenrauheit auf einer am Lehrstuhl Fertigungstechnik der Universität Duisburg-Essen eigens entwickelten Anlage untersucht. Bei kommerziellen Anlagen ist es häufig vorzufinden, dass die gegenläufige Rotationsgeschwindigkeit der Pulverauftragswalze im festgesetzten Verhältnis zur translatorischen Verfahrgeschwindigkeit steht [1, 4]. Alternative Auftragsmechanismen beschreiben eine feststehende Rakel mit einer definierten Geometrie [1]. Die einstellbaren Parameter der kommerziellen Beschichter-Systeme sind somit in der Regel stark limitiert, was eine Optimierung des Pulverauftrages durch den Anwender und der daraus resultierenden Bauteileigenschaften erschwert. Im Gegensatz hierzu sind in einer eigenentwickelten Laser-Sinter-Anlage die rotatorischen und translatorischen Bewegungen der Auftragswalze entkoppelt und können unabhängig voneinander verfahren werden. Zur Vergleichbarkeit beider Auftragssysteme kann die Walze durch eine Rakelausgewechselt werden. Bei den vorliegenden Untersuchungen variiert bei konstant gehaltener Translationsgeschwindigkeit die Rotationsgeschwindigkeit der Walze. Die Ergebnisse zeigen eine antiproportionale Zunahme der Packungsdichte als Funktion von der resultierenden Tangentialgeschwindigkeit der Auftragswalze. Zudem zeigt der direkte Vergleich zwischen den zwei kommerziellen Auftragsmechanismen die unterschiedlichen Verbesserungspotenziale auf. Als Stützstelle der Versuchsreihe dient dabei ein Anlagensystem der Firma DTM (3D-Systems), welches standardmäßig mit einer gegenläufigen Walze ausgestattet ist.

Vortrag 3/1
Lars Meyer | Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Fertigungstechnik
11:30 - 12:00

Das selektive Lasersintern (SLS) von Thermoplasten befindet sich auf dem Weg vom reinen Prototyping zur Herstellung von Kleinserien. Hierbei spielen insbesondere die aus Polyamid 12 (PA12) hergestellten Kunststoffbauteile eine wesentliche Rolle. Neben den Herausforderungen an den Prozess müs-sen bei der Verarbeitung von Kunststoffen vor allem die materialspezifischen Anforderungen berücksichtigt werden. Die wichtigsten Anforderungen an das Pulver sind die hohe Schüttdichte sowie die eng verteilte Partikelgrößenver-teilung und spezifische Partikelform. Die Pulverschüttung hat wiederum einen wesentlichen Einfluss auf die Bauteileigenschaften.
Die Schüttdichte wird meist nach DIN EN ISO 60 „Bestimmung der scheinba-ren Dichte von Formmassen, die durch einen genormten Trichter abfließen können (Schüttdichte)“ bestimmt. Die Bauteildichte im Prozess hängt unter anderem vom Pulverauftragssystem (Rakel oder Rolle), von den Prozesspa-rametern (Bauraumtemperatur und Energiedichte), sowie von der Bauteilpo-sition ab. Aus diesem Grund werden geschlossene zylindrische Probekörper mit unterschiedlichen Durchmessern und Wandstärken im SLS hergestellt, um die Pulverschüttung im Bauteilinneren zu charakterisieren. Das wissen-schaftliche Ziel dieser Studie ist es, die Packungsdichte der Pulverschüttung mittels 3D-Röntgen-Computertomographie (CT) abzuleiten. Dadurch wurde festgestellt, dass die Packungsdichte mit steigender Wandstärke bei kleiner Geometrie deutlich zunimmt. Dies kann auf die Schwindung der Probekörper und die Komprimierung der Pulverpartikel im Bauteilinneren zurückgeführt werden.

Vortrag 3/2
Meng Zhao | Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Kunststofftechnik

Seit 09.2013
Wissenschaftliche Mitarbeiterin Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
? In Sonderforschungsbereich 814 – Additive Fertigung
? Teilprojekt A3: prozessangepasste Werkstoffcharakterisierung für das selektive Strahlschmelzen

12:00 - 12:30

Eine Prozessvariante des Selektiven Laserstrahlsinterns (SLS) zur Herstellung von Multi-Material-Bauteilen aus Kunststoffen wird mittels eines thermischen Simulationsmodells untersucht. Der Prozess basiert auf der (quasi-)simultanen Energieeinbringung mittels Laserquellen zur Vorheizung und zum Aufschmelzen von Multi-Material-Pulverschichten innerhalb eines beheizten Bauraums. Das Simulationsmodel nutzt die Finite-Elemente-Methode bei der Berechnung der zeitlichen Temperaturverteilung im Pulverbett. Es löst die nichtlineare Wärmeleitungsgleichung numerisch und nutzt temperaturabhängige Funktionen für die Wärmekapazität und die Wärmeleitung, welche durch experimentelle Methoden bestimmt werden. Dadurch kann der Einfluss des Phasenübergangs auf die Temperaturhistorie berücksichtigt werden. Das Simulationsmodell wird anhand experimenteller Daten bei der Verarbeitung von Polyamid-12- und Polypropylen-Pulver überprüft und erlaubt Rückschlüsse auf die Signifikanz verschiedener Prozess- und Materialparameter. So zeigte sich beispielsweise, dass die latente Wärme der beiden Materialien die zeitliche Temperaturverteilung im Pulverbett und damit den Verarbeitungsprozess stark beeinflusst.

Vortrag 3/3
Dr. Thomas Stichel | Bayerisches Laserzentrum GmbH
12:30 - 14:00
Mittagspause und Besuch der Fachmesse
Session 4
Moderation: Prof. Dr. Gerd Witt, Universität Duisburg-Essen
14:00 - 14:30

Die additive Fertigung und insbesondere das Laserstrahlschmelzen findet im industriellen Umfeld immer weitere Einsatzbereiche. Ein Hauptfaktor für diese Entwicklung ist das immer größer werdende Prozessverständnis sowie die steigende Anzahl an Werkstoffen, die verarbeitet werden können. Das vorliegende Prozessverständnis beschränkt sich derzeit jedoch noch auf Monomaterialbauteile, das heißt Bauteile, welche aus einem Werkstoff bestehen. Auch ist die Herstellung Hybrider oder 2-D-Multimaterialbauteile, die sich durch einen Materialwechsel in Aufbaurichtung auszeichnen, bereits weit verbreitet. In einem am Fraunhofer IGCV entwickelten Prozess ist es nun möglich, auch Bauteile aus zwei unterschiedliche Werkstoffen zu fertigen, die eine beliebige Verteilung beider Materialien sowohl in Aufbaurichtung als auch in der Bauebene aufweisen. Aufgrund der beliebigen Materialverteilung in allen Raumachsen, werden diese Strukturen als 3-D-Multimaterialbauteile bezeichnet.
Im Rahmen dieses Papers wird auf entstehende Herausforderungen im Multimaterialfertigungsprozess eingegangen, welche durch unterschiedliche thermische und thermo-mechanische Eigenschaften entstehen. Darüber hinaus werden die mechanischen Eigenschaften von gefertigten Proben aus Kupfer-Chrom-Zirkonium und Werkzeugstahl 1.2709 erläutert.

Vortrag 4/1
Christine Anstätt | Fraunhofer IGCV

Christine Anstätt was born 17.10.1988 in Augsburg. From 2008 to 2011 she studied at the TU Chemnitz Sports Engineering in the Bachelor. This was followed by a change in the master's degree program in Mechanical Engineering focusing on Product development. The Master thesis entitled "Potential analysis on the use of shear fields in lightweight Lattice structures" was at the Project Group Resource-Efficient Mechatronic Processing Machines (RMV) Fraunhofer IWU in Augsburg. 2014 Ms. Anstätt completed the studies successfully.
Since August 2014 Ms. Anstätt is a research assistant in the project group RMV of IWU in Augsburg within the department of components and processes. In the field of additive manufacturing she deals with lightweight construction and the multi-material processing.
Besides her work as a research assistant she is doing her PhD at the Technical University of Munich regarding "multi-material processing in the additive manufacturing ".

14:30 - 15:00

Die amorphe Erstarrung metallischer Schmelzen ermöglicht eine einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit, Elastizität und Härte. Bisher etablierte Ver-fahren zur Herstellung massiver metallischer Gläser (BMG’s), wie Schmelz-schleudern, Metal Injection Molding (MIM) oder Sputterdeposition, leiden un-ter massiven Einschränkungen hinsichtlich der herstellbaren Bauteilgröße und geometrischer Freiheit der Bauteile, da eine schnelle Abkühlung zum Ein-frieren der Schmelze gewährleistet sein muss. Das Laser-Strahlschmelzen gilt aufgrund der prozess-inhärenten hohen Abkühlgeschwindigkeiten (bis zu 106 K/s ohne Vorwärmung) in Verbindung mit einem schichtweisen Aufbau als vielversprechendes Verfahren um zukünftig größere und komplexere amor-phe Bauteile herstellen zu können.
In dem vorliegenden Beitrag werden die Möglichkeit zur Herstellung primitiver amorpher Bauteile aus dem Zr-Basis-Werkstoff (????????59,3????????28,8????????10,4????????1,5) mit-hilfe der Laser-Strahlschmelzanlage EOS M100 eruiert. Hierzu werden die Einflüsse ausgewählter Prozessparameter (Laserleistung, Scangeschwindig-keit) auf die Prozessierbarkeit und Defektausprägung (Risse, Poren und Kris-tallisation) ermittelt. Die jeweils resultierende Mikrostruktur wird durch Licht-mikroskopie, Röntgendiffraktometrie (XRD) und Differentialthermoanalyse (DSC) analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Laser-Strahlschmelzen für eine zukünftige Fertigungsroute von defektarmen Bauteilen aus metallischen Gläsern auf Zr-Basis geeignet ist.

Vortrag 4/2
Jan Wegner | Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Fertigungstechnik
15:00 - 15:30

Bis heute werden Bauteile mit Gitterstrukturen überwiegend als Anschauungsobjekte verwendet statt als lasttragende Elemente von tatsächlich eingesetzten Bauteilen, obwohl die mechanischen Eigenschaften von Gitterstrukturen in weiten Grenzen variiert werden können. Die Eigenschaften von Gitterstrukturen sind jedoch ausgesprochen sensibel gegenüber Abweichungen von der Sollgeometrie. Je feiner die Strukturen werden, desto mehr hängt zudem die resultierende Geometrie nach der Fertigung von der verwendeten Belichtungsstrategie und den Belichtungsparametern ab. Die derzeit für Vollmaterial eingesetzte Belichtung mit Unterscheidung von Kontur und Füllung (CH-Belichtung) ist für die maßhaltige Herstellung von dünnen Stäben (? < 400 ?m) ungeeignet. Mit der Punkt-Belichtung (P-Belichtung) sind im Vergleich zur konventionellen Belichtungsstrategie deutlich kleinere Stabdurchmesser (? < 150 ?m) herstellbar.
Aufgrund von Beschränkungen der Maschinensoftware ist die P-Belichtung bei kommerziell verfügbaren LBM-Anlagen üblicherweise nicht nutzbar. Daher wird in dieser Arbeit eine Quasi-P-Belichtung verwendet, die Punkte ersatzweise durch einzelne kurze Scan-Vektoren darstellt. Hierzu wird ein spezieller Slicer entwickelt, der die benötigten Scanvektoren innerhalb eines Bauteils sowohl für P-belichtete Gitterstrukturen als auch für Vollmaterial-Bauteilabschnitte erzeugen kann.
Um die Beziehung zwischen Scanvektoren, Laserparametern und den resultierenden Stabdurchmessern zu untersuchen, werden die Stabstärken an Probekörpern vermessen. Des Weiteren wird das Gefüge zur Abschätzung der zu erwartenden mechanischen Eigenschaften untersucht.

Vortrag 4/3
Hannes Korn | Fraunhofer IWU

Während meines Maschienbaustudiums an der TU-Dresden habe ich "Methoden und Werkzeuge der Produktentwicklung"
vertieft und mich intensiv mit Softwareentwicklung im Maschinenbau-Kontext, speziell zur Analyse Dreiecksnetz-basierter
3D-Daten, befasst.
Seit Oktober 2016 beschäftige ich mich nun am Fraunhofer IWU, anfangs im Rahmen meiner Diplomarbeit, nun als
wissenschaftlicher Mitarbeiter, mit innovativen Anwendungsszenarien und der zugeschnittenen Herstellung feiner
metallischer Gitterstrukturen auf konventioneller Anlagentechnik des Laser-Strahlschmelzens.
Außerdem bringe ich meine Erfahrung aus der Software-Entwicklung auch weiterhin im Rahmen der Konzipierung von AM-spezifischen
Softwarelösungen ein.

15:30
Ende
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