Christoph Klahn

Industrializing Additive Manufacturing - Proceedings of Additive Manufacturing in Products and Applications - AMPA2017

Design knowledge is important for the success of new technologies. This is especially true for Additive Manufacturing technologies like Selective Laser Melting (SLM), which offer a higher degree of freedom, but also very different restriction in design compared to conventional manufacturing technologies. An analysis of current and previous designs from aerospace and motorsports identifies important drivers in Design for Additive Manufacturing. To visualize the advances in design knowledge an SLM aircraft bracket is re-designed based on today’s state of the art almost 10 years after its initial design for additive manufacturing. The analysis reveals important factors for a “good” design. In early designs the focus of engineers was on the manufacturability of the part itself, while the capabilities of CAD tools limited the designer. Nowadays designs show a more holistic view on the manufacturing process chain and the part’s application, e.g. by integrating provisions for conventional post-processing and fatigue optimized shapes and surfaces. Some issues are still open and need to be addressed in the next generation of guidelines, tools and equipment.

The Experience Transfer Model for New Technologies - Application on Design for Additive Manufacturing

To apply new technologies in industry, it requires knowledge about the specific technology. Since a new technology, such as Additive Manufacturing (AM), enters the industry slow, the knowledge transfer must be supported. AM is capable to produce end user parts by serial production. To implement this new technology into industry an Experience Transfer Model (ETM) supports the transfer of knowledge from the academic environment to professional engineers in industry. This paper presents the concept of the ETM, which transfer experience knowledge about identification expertise and design expertise in three steps: Input of theory, implementation of the theoretical knowledge and reflection of the approach. The validation of the ETM with Swiss SME showed a successful implementation of experience knowledge.

Evolution of Design Guidelines for Additive Manufacturing - Highlighting Achievements and Open Issues by Revisiting an Early SLM Aircraft Bracket

Design knowledge is important for the success of new technologies. This is especially true for Additive Manufacturing technologies like Selective Laser Melting (SLM), which offer a higher degree of freedom, but also very different restriction in design compared to conventional manufacturing technologies. An analysis of current and previous designs from aerospace and motorsports identifies important drivers in Design for Additive Manufacturing. To visualize the advances in design knowledge an SLM aircraft bracket is re-designed based on today’s state of the art almost 10 years after its initial design for additive manufacturing. The analysis reveals important factors for a “good” design. In early designs the focus of engineers was on the manufacturability of the part itself, while the capabilities of CAD tools limited the designer. Nowadays designs show a more holistic view on the manufacturing process chain and the part’s application, e.g. by integrating provisions for conventional post-processing and fatigue optimized shapes and surfaces. Some issues are still open and need to be addressed in the next generation of guidelines, tools and equipment.

Temperature Monitoring of an SLM Part with Embedded Sensor

Selective Laser Melting (SLM) offers various new possibilities for the production of metallic components with respect to their design and complexity. The manufacturing process in layers enables accessibility and the possibility for manipulation and modification to each section of the part’s geometry. Hence the integration of sensors into the component during its manufacturing process is feasible. This approach is of enormous interest for various industrial sectors since sensor integration is a key enabler of industry 4.0. A sensor that has been embedded into a part during SLM production process facilitates not only a monitoring of this metallic part during its use phase in general but a monitoring of a spatially well-defined location within this part. The work presented in this paper specifically targets the integration of a temperature sensor into an SLM part. The sensor is embedded in a section of the part which is not accessible after the production process any more. Different concepts and strategies of sensor positioning and integration are investigated, focussing on an evaluation of the operating ability of these sensors after their embedding with the SLM process. Thus different methods to attach the sensor to the metallic part are presented. Furthermore the paper reports on the analysis of the influence of geometrical design features on the response behaviour and accuracy of the temperature measurement compared to conventionally conducted reference measurements.

Robustheit der Struktur gegen mechanische Belastungen

Zu den Qualitatsmerkmalen eines technischen Systems zahlt nicht nur die Erfullung der Funktion unter den normalen Betriebsbedingungen, sondern auch eine Robustheit gegen Storungen. Von einem robusten Konzept wird gefordert, dass die Ausgangsgrose unabhangig von der Qualitat der Eingangsgrosen ist [1]. Fur die luftdurchlassigen Mesostrukturen bedeutet dies, dass in der Anwendung zu den Parametern der Luft noch weitere Umgebungsbedingungen hinzukommen, die die Durchstrombarkeit beeinflussen. Hierzu zahlen auch die in diesem Kapitel betrachteten mechanische Belastungen.

Wärmetransport durch die luftdurchlässige Struktur

In vielen technischen Anwendungen ist, neben der Luftdurchlassigkeit und der mechanischen Belastbarkeit, auch der Warmetransport durch das Material von Bedeutung fur die Leistungsfahigkeit des Gesamtsystems. Ein Beispiel fur solche Anwendungen ist die Verwendung der luftdurchlassigen Strukturen in Spritzgieswerkzeugen. Wie bereits in Abschnitt 2.3.2.1 beschrieben, bestimmen die Geschwindigkeit und die Gleichmasigkeit des Warmetransports die Wirtschaftlichkeit des Prozesses und die Qualitat der hergestellten Produkte. In diesem Kapitel wird der Einfluss der Abmessungen der laseradditiv gefertigten, luftdurchlassigen Mesostrukturen auf die thermischen Eigenschaften untersucht und wie sich diese auf die Temperaturverteilung in einem Referenzmodell auswirken.

Problemstellung und Lösungsweg

In dem vorangegangenen Kapitel wurden die laseradditive Fertigung, die Systematik von luftdurchlassigen Materialien und die Grundlagen von Spritzgieswerkzeugen vorgestellt. Die additive Fertigung bietet mit der grosen geometrischen Freiheit des Fertigungsverfahrens die Moglichkeit, Bauteile oder Teilbereiche von Bauteilen luftdurchlassig zu gestalten. Wie im Abschnitt 2.2.2 aufgefuhrt, ist dies mit unterschiedlichen Ansatzen bereits umgesetzt worden. Fur den breiten industriellen Einsatz von luftdurchlassigen Strukturen liegen keine Untersuchungen hinsichtlich der Eignung von laseradditiv gefertigten, luftdurchlassigen Strukturen vor.

Einsatzmöglichkeiten in technischen Anwendungen

Die laseradditiv gefertigte, luftdurchlassige Struktur nutzt die grose Freiheit aus, die die laseradditive Fertigung fur die Gestaltung von Bauteilen bietet. Form, Grose und Mesostruktur eines luftdurchlassigen Bereichs konnen an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden und ermoglichen so einen vielseitigen Einsatz in industriellen Anwendungen. Das Potential, mit dem hier entwickelten Material neue Produkte und Funktionen zu realisieren, wird im Folgenden an Beispielen aus dem Werkzeugbau fur den Kunststoffspritzgiesprozess demonstriert. Komponenten fur Spritzgieswerkzeuge wurden als Referenzanwendung gewahlt, da diese sowohl mechanische als auch thermische Anforderungen erfullen. Die Eigenschaften des Werkzeugs haben einen Einfluss auf die Produktivitat und Qualitat des Spritzgiesprozesses und demonstrieren so die Eignung des luftdurchlassigen Materials fur einen industriellen Prozess und die Grenzen die hierbei bestehen.

Begriffsbestimmung und Verfahrensbeschreibungen

Die Untersuchung der Eigenschaften von laseradditiv gefertigten, luftdurchlassigen Mesostrukturen fur den Einsatz in industriell genutzten Bauteilen erfordert zunachst eine Beschreibung des verwendeten Herstellungsverfahrens, da die Verfahrensmerkmale die fertigungstechnischen Moglichkeiten und Randbedingungen fur die Struktur bestimmen. Die anschliesende Systematik von luftdurchlassigen Strukturen zeigt Anforderungen und Losungsvarianten auf. Da die Einsatzbedingungen in der Industrie vielfaltig sind, wird fur die Einordnung der ermittelten Eigenschaften in einen industriellen Kontext eine Referenzanwendung benotigt. Mit Kunststoffspritzgieswerkzeugen als industrieller Referenzanwendung wird ein technisches System mit einem breiten Anforderungsspektrum fur die Entwicklung der Struktur gewahlt. Der Aufbau und die Funktion von Spritzgieswerkzeugen werden zum Abschluss dieses Kapitels vorgestellt.

Herstellung von luftdurchlässigen Strukturen

Die Herstellung der luftdurchlassigen Strukturen in dieser Arbeit erfolgt auf einer Maschine M2Cusing des Herstellers Concept Laser . Die Anlage verfugt uber einen 200W Nd:YAG-Faserlaser mit einer Wellenlange von 1064 nm. Die nicht beheizte Baukammer ist mit einer Stickstoff-Atmosphare geflutet und die Anlage stellt einen Rest- Sauerstoffgehalt ≤ 0,1% sicher [1]. Fur das Auftragen der Pulverschichten wird eine Beschichterklinge aus Stahl verwendet. Bei dem hier verwendeten Pulver handelt es sich um den Werkzeugstahl X3NiCrMoTi (1.2709), welcher vom Anlagenhersteller Concept Laser unter der Bezeichnung CL50WS bezogen wurde [2].