An all-solid state laser system for the laser ion source RILIS and in-source laser spectroscopy of astatine at ISOLDE,CERN

This doctoral thesis describes the extension of the resonance ionization laser ion source RILIS at CERN/ISOLDE by the addition of an all-solid state tunable titanium:sapphire (Ti:Sa) laser system to complement the well-established system of dye lasers. Synchronous operation of the so called Dual RILIS system of Ti:Sa and dye lasers was investigated and the potential for increased ion beam intensity, reliability, and reduced setup time has been demonstrated. In-source resonance ionization spectroscopy was performed at ISOLDE/CERN and at ISAC/TRIUMF radioactive ion beam facilities to develop an efficient and selective three-colour ionization scheme for the purely radioactive element astatine. A LabVIEW based monitoring, control and measurement system was conceived which enabled, in conjunction with Dual RILIS operation, the spectroscopy of high lying Rydberg states, from which the ionization potential of the astatine atom was determined for the first time experimentally.

Laser-Sintern. Die Schluesseltechnologie des e-Manufacturing TM

e-Manufacturing™, das ist die schnelle, flexible und kostengünstige Fertigung von Produkten, Formen/Werkzeugen oder Modellen direkt aus elektronischen Daten. e-Manufacturing™ schließt Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Rapid Manufacturing ein, geht aber zugleich weit über den Gedanken der schnellen Verfügbarkeit hinaus. Zwar wird auch in Zukunft die schnelle Produktentwicklung eine immer wichtigere Rolle spielen, bei der e-Manufacturing™ für ein verkürztes Time to Market sorgt, Entwicklungskosten verringert und zur Risikominimierung beiträgt. Darüber hinaus entstehen aber auch neue Geschäftsmodelle, da Kleinserienproduktion, steigende Variantenvielfalt und eine individualisierte Produktion (Mass Customization) plötzlich möglich und wirtschaftlich sind und sich neue Logistikkonzepte wie (Spare) parts on demand entwickeln. Die neue Konstruktionsfreiheit des Laser-Sinterns ermöglicht neue Produktkonzepte. Minimale Einschränkungen durch das Fertigungsverfahren erlauben funktionelle Integration und die Fertigung des „Unmöglichen“, da kreisförmige und lineare Werkzeugbewegungen das Produktdesign nicht mehr beeinflussen bzw. limitieren. Auch die Fertigungskonzepte unterliegen einem Wandel und werden deutlich flexibler. Werkzeuglose Produktion, losgrößenangepasste Fertigung und dezentrale Fertigung on demand sind die Schlagworte der Zukunft. Der vorliegende Beitrag zeigt Beispiele für den erfolgreichen kommerziellen Einsatz von Laser-Sintern in allen Phasen des Produktlebenszyklus. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der direkten Herstellung von Funktionsteilen in der Serienfertigung. Die entscheidenden Faktoren für eine erfolgreiche Einführung und Anwendung von e-Manufacturing™ werden diskutiert. Der Beitrag zeigt auf, wie die neuesten technologischen Innovationen im Laser-Sintern, speziell zur Produktivitätssteigerung, das Spektrum der Anwendungsfelder erweitern, in denen dieses Fertigungsverfahren kostengünstige Lösungen bietet.

Grundlagen des Rapid Prototyping

Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid Prototyping Verfahren bekannt und haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technologie zur Fertigung erschlossen. Rapid Technologien werden daher zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien. Die Anwendertagung Rapid.Tech befasst sich mit den neuen Verfahren zur direkten Produktion und den daraus erwachsenden Chancen für Entwickler und Produzenten. Die Kenntnis der Rapid Prototyping Verfahren wird bei den meisten Fachvorträgen auf der Rapid.Tech vorausgesetzt. Für diejenigen, die sich bisher mit generativen Verfahren noch nicht beschäftigt haben, oder die ihre Grundkenntnisse schnell auffrischen wollen, haben wir die folgenden Zusammenfassung der Grundlagen der generativen Fertigungstechnik, der heutigen Rapid Prototyping Verfahren, zusammengestellt.

Rapid Tooling fuer den Spritzguss- und Al-Druckgusswerkzeugbau

Bedingt durch die geringen Aufbauraten blieb die Anwendung des direkten Lasersinterverfahrens (DMLS) bislang auf die Herstellung kleinerer Formeinsätze für den Spritzguss- bzw. Al-Druckgusswerkzeugbau beschränkt. Um die Technologie des Rapid Tooling auf das Anwendungsfeld für größere Werkzeugeinsätze zu erweitern, ist vom IFAM zusammen mit weiteren europäischen Projektpartnern im Rahmen des Projekts ecoMold der sog. modulare Werkzeugbaukasten entwickelt worden. Das Konzept beruht darauf, dass ein Werkzeugeinsatz in Module zerteilt wird, die separat gefertigt werden. Jedes Modul setzt sich aus einer Grundgeometrie und einer Formgeometrie zusammen. Die Grundgeometrie stellt Volumenbereiche des Werkzeugeinsatzes dar, die keine formbestimmenden Geometrien beinhalten. Die Grundgeometrien werden als standardisierte Grundmodule durch Fräsen kostengünstig hergestellt. Die formbestimmenden Geometrien des Einsatzes werden durch das Lasersinterverfahren auf die Grundmodule aufgesintert. Die verschiedenen Module werden dann zum fertigen Werkzeugeinsatz montiert. Grundlage ist der vollständige STL-Datensatz der beiden Werkzeughälften. Auf der Basis einer Datenbank, die alle zur Verfügung stehenden Grundmodule in verschiedenen Abmessungsabstufungen enthält, wird die Anzahl, die Größe und die Lage der Module automatisiert von der am IFAM entwickelten Software bestimmt. Dabei wird versucht, den ursprünglichen STL-Datensatz des Werkzeugeinsatzes derart in einzelne Module zu zerlegen, dass die aufzusinternden Bereiche minimiert werden und möglichst viele Volumenbereiche des Einsatzes durch die in der Datenbank hinterlegten Grundmodule gefüllt werden. Mit dem vorgestellten System steht ein neues Fertigungskonzept zur Verfügung, das durch eine Kombination aus Lasersinter- und Fräsverfahren gestattet, das Lasersinterverfahren auch für Rapid-Tooling-Anwendungen für größere Bauteile anzuwenden. Erste Erfahrungen und Kalkulationen haben ergeben, dass im Vergleich zu konventionell hergestellten Werkzeugeinsätzen die Kosten um ca. 35% und die benötigten Bauzeiten um ca. 30% reduziert werden können.

Optimierung der Eigenschaften von thermoplastischen Lasersinter-Bauteilen

Das Lasersintern (LS) hat sich als generatives Verfahren zur schichtweisen Fertigung von Modellen und Prototypen aus CAD-Daten etabliert. Die Möglichkeit werkzeuglos beliebig komplexe Bauteile zu erstellen birgt großes Potential für die zukünftige Fertigung von Einzelstücken und Kleinserien. Da die verfügbare Technologie starke Schwankung der Qualität mit sich bringt, stellt sich jedoch die Frage nach der prinzipiellen Leistungsfähigkeit des Verfahrens. Die Professur Fertigungstechnik an der Universität Duisburg-Essen verfügt über eine Sinterstation 2000 und hat sich näher mit dieser Problematik befasst um zu untersuchen, welche Qualität bei gegebener Anlagentechnik unter Verwendung eines gängigen Lasersinter-Werkstoffes erreichbar ist.

Wettbewerbsfaktor Lasergenerieren

Die LBC LaserBearbeitungsCenter GmbH wurde im Oktober 2002 gegründet. LBC ist ein innovativer Dienstleister für unterschiedlichste Kundengruppen. Die Kernkompetenzen sind das Lasergenerieren, bzw. Lasersintern, auf Basis metallischer Werkstoffe und die 3D Lasergravur.

Besonderheiten bei der Auslegung und Gestaltung lasergesinterter Bauteile

Mit der Entwicklung der losgrößenunabhängigen, additiven Fertigungsverfahren eröffnen sich vollkommen neue Wege zur Realisierung von komplexen Integralbauteilen bei niedrigen Stückzahlen. Bei der Bauteilgestaltung müssen (verglichen mit traditionellen Herstellverfahren, beispielsweise Spritzgießen) weniger Fertigungsrestriktionen beachtet werden. Dennoch ist die Gestaltungsfreiheit nicht unbegrenzt. In diesem Beitrag werden basierend auf dem Gedanken des Fertigungsgerechten Konstruierens Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Gestaltung von additiv gefertigten Bauteilen herausgestellt. Darauf aufbauend werden Potenziale aufgezeigt, wie Produktentwickler in Zukunft bei der Auslegung und Gestaltung solcher Produkte unterstützt werden können.

Strahlschmelzen - LaserCUSING® - Integration im Werkzeug- und Formenbau

Die generativen Fertigungsverfahren haben längst ihren Platz in der Wertschöpfungskette neben konventionellen Prozessen eingenommen. Trotzdem müssen die Anwender immer wieder aufs Neue für die recht abstrakten Möglichkeiten und Chancen der Verfahren sensibilisiert werden. Querdenken kann oft schneller und effizienter zur erfolgreichen Problemlösung beitragen als traditionelle Schlüsselwege. Deshalb soll der Beitrag einige Kernpunkte ansprechen, die die additiven Verfahren in den Unternahmen – speziell das LaserCUSING® - als überaus sinnvolle Ergänzung des Technologieparks erachten. Neben der Herstellung von metallischen Prototypen geht der Vortrag insbesondere auf die Vielfalt der Effekte integrierbarer Kanäle in Formeinsätzen besonders des Spritzgusswerkzeugbaus ein.

Untersuchung der Materialalterung bei pulverbasierten Schichtbauverfahren

Additive, pulverbasierte Schichtbauverfahren, wie das Selektive Masken- oder La-sersintern, ermöglichen die Fertigung von komplexen Bauteilen ohne Werkzeug und Form. Aufgrund der hohen, verarbeitungsbedingten Bauraumtemperaturen kommt es während der Verarbeitung zu physikalischem und thermisch-oxidativem Abbau der eingesetzten Kunststoffpulver. Das im Bauraum nicht aufgeschmolzene Material, der so genannte Partcake, kann nach dem Bauprozess vom fertigen Bauteil entfernt und für weitere Bauprozesse verwendet werden. Zur Realisierung reproduzierbarer Bau-teileigenschaften ist jedoch eine Aufbereitung („Refreshen“) des Partcake-Pulvers notwendig. Im Rahmen des Beitrags werden Erkenntnisse zum Alterungsverhalten von Kunst-stoffpulvern vorgestellt. In einem Modellversuch wurde der Verarbeitungsprozess für PA12-Pulver nachgestellt und somit verschiedene Alterungsstufen generiert. Beson-deres Augenmerk wurde auf den Einfluss einer Materialvorbehandlung gelegt. Die gealterten Pulver wurden physikalisch und thermoanalytisch hinsichtlich ihrer verar-beitungsrelevanten Materialeigenschaften untersucht.

rietzel

Die komplexen transienten thermischen Bauraumverhältnisse während der Schicht-generierung beim Lasersintern von Thermoplasten haben direkten Einfluss auf die resultierenden Bauteileigenschaften. Dies schlägt sich in Effekten wie dem „Curl“ oder Bauteilverzug nieder. Ohne Kenntnisse über die zeitlichen und örtlichen Tempe-raturverhältnisse im Bauraum können weder der gesamte Bauraum ausgenutzt, noch die späteren Bauteileigenschaften vorhergesagt werden. Folglich wird die Wirtschaft-lichkeit des Verfahrens im Hinblick auf einen Einsatz zur Serienproduktion begrenzt. Neben der experimentellen Erforschung der transienten thermischen Zustände wäh-rend des Lasersinterns ist die Modellbildung zur simulativen Abbildung ebendieser von großer Bedeutung. Dieser Beitrag stellt den grundlegenden Aufbau eines Simu-lationsmodells für die schichtweise Bauteilgenerierung dar und zeigt allgemeine Mo-dellierungsansätze für die charakteristischen thermischen Materialkennwerte von Pulvern auf. Weiterhin erfolgt anhand einer Parameterstudie eine Quantifizierung der Effekte einzelner Materialeigenschaften und Prozessstellgrößen auf die mittels finiter Elemente Methode berechneten Temperaturverhältnisse an einer Pulverschicht.

Mechanische Eigenschaften und Bruchverhalten maskengesinterter Kunststoffbauteile

Das selektive Maskensintern von Kunststoffen ermöglicht die flächige Belichtung des Bauraums, wodurch sich konstante, von der zu belichtenden Geometrie/Fläche unabhängige Zykluszeiten pro Schicht ergeben. Durch den Einsatz eines, über dem Bauraum platzierten, Infrarotstrahlerfeldes wird eine Modifikation des verarbeiteten Polyamid 12-Pulvers mit einem Absorber, hier Flammruß, notwendig. Bisher konnte gezeigt werden, dass Prototypen sowie wärmeleitfähige Kunststoffbauteile hergestellt werden können. Im Rahmen dieses Beitrags sollen die mechanischen Eigenschaften von SMS-Bauteilen betrachtet werden. Die Beeinflussung der mechanischen Kennwerte, durch variierende Materialeigenschaften sowie unterschiedliche Prozessparameter, werden ebenso wie die Richtungs-, Temperatur- und Belastungsartabhängigkeit, bei konstanten Material- und Prozessparametern, untersucht. Zur Charakterisierung des Bauteilversagens wurden Methoden wie die Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie eingesetzt und Bruchmechanismen abgeleitet.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Prozessoptimierung des SLM-Prozesses mit hoch-reflektiven und thermisch sehr gut leitenden Materialien durch systematische Parameterfindung und begleitende Simulationen am Beispiel von Silber

Additive Manufacturing durch Aufschmelzen von Metallpulvern hat sich auf breiter Front als Herstellverfahren, auch für Endprodukte, etabliert. Besonders für die Variante des Selective Laser Melting (SLM) sind Anwendungen in der Zahntechnik bereits weit verbreitet und der Einsatz in sensitiven Branchen wie der Luftfahrt ist in greifbare Nähe gerückt. Deshalb werden auch vermehrt Anstrengungen unternommen, um bisher nicht verarbeitete Materialien zu qualifizieren. Dies sind vorzugsweise Nicht-Eisen- und Edelmetalle, die sowohl eine sehr hohe Reflektivität als auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen – beides Eigenschaften, die die Beherrschung des Laser-Schmelzprozesses erschweren und nur kleine Prozessfenster zulassen. Die Arbeitsgruppe SLM des Lehr- und Forschungsgebietes Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik hat sich unter der Randbedingung einer kleinen und mit geringer Laserleistung ausgestatteten SLM Maschine der Aufgabe gewidmet und am Beispiel von Silber die Parameterfelder für Einzelspuren und wenig komplexe Geometrien systematisch untersucht. Die Arbeiten wurden von FEM Simulationen begleitet und durch metallographische Untersuchungen verifiziert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage zur schnellen Parameterfindung bei komplexen Geometrien und bei Veränderungen der Zusammensetzung, wie sie bei zukünftigen Legierungen zu erwarten sind. Die Ergebnisse werden exemplarisch auf unterschiedliche Geometrien angewandt und entsprechende Bauteile gezeigt.

Prediction of PA12 melt viscosity in Laser Sintering by a Time and Temperature dependent rheological model

Ein auf Basis von Prozessdaten kalibriertes Viskositätsmodell wird vorgeschlagen und zur Vorhersage der Viskosität einer Polyamid 12 (PA12) Kunststoffschmelze als Funktion von Zeit, Temperatur und Schergeschwindigkeit angewandt. Im ersten Schritt wurde das Viskositätsmodell aus experimentellen Daten abgeleitet. Es beruht hauptsächlich auf dem drei-parametrigen Ansatz von Carreau, wobei zwei zusätzliche Verschiebungsfaktoren eingesetzt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wird mithilfe des Verschiebungsfaktors aT von Arrhenius berücksichtigt. Ein weiterer Verschiebungsfaktor aSC (Structural Change) wird eingeführt, der die Strukturänderung von PA12 als Folge der Prozessbedingungen beim Lasersintern beschreibt. Beobachtet wurde die Strukturänderung in Form einer signifikanten Viskositätserhöhung. Es wurde geschlussfolgert, dass diese Viskositätserhöhung auf einen Molmassenaufbau zurückzuführen ist und als Nachkondensation verstanden werden kann. Abhängig von den Zeit- und Temperaturbedingungen wurde festgestellt, dass die Viskosität als Folge des Molmassenaufbaus exponentiell gegen eine irreversible Grenze strebt. Die Geschwindigkeit dieser Nachkondensation ist zeit- und temperaturabhängig. Es wird angenommen, dass die Pulverbetttemperatur einen Molmassenaufbau verursacht und es damit zur Kettenverlängerung kommt. Dieser fortschreitende Prozess der zunehmenden Kettenlängen setzt molekulare Beweglichkeit herab und unterbindet die weitere Nachkondensation. Der Verschiebungsfaktor aSC drückt diese physikalisch-chemische Modellvorstellung aus und beinhaltet zwei zusätzliche Parameter. Der Parameter aSC,UL entspricht der oberen Viskositätsgrenze, wohingegen k0 die Strukturänderungsrate angibt. Es wurde weiterhin festgestellt, dass es folglich nützlich ist zwischen einer Fließaktivierungsenergie und einer Strukturänderungsaktivierungsenergie für die Berechnung von aT und aSC zu unterscheiden. Die Optimierung der Modellparameter erfolgte mithilfe eines genetischen Algorithmus. Zwischen berechneten und gemessenen Viskositäten wurde eine gute Übereinstimmung gefunden, so dass das Viskositätsmodell in der Lage ist die Viskosität einer PA12 Kunststoffschmelze als Folge eines kombinierten Lasersinter Zeit- und Temperatureinflusses vorherzusagen. Das Modell wurde im zweiten Schritt angewandt, um die Viskosität während des Lasersinter-Prozesses in Abhängigkeit von der Energiedichte zu berechnen. Hierzu wurden Prozessdaten, wie Schmelzetemperatur und Belichtungszeit benutzt, die mithilfe einer High-Speed Thermografiekamera on-line gemessen wurden. Abschließend wurde der Einfluss der Strukturänderung auf das Viskositätsniveau im Prozess aufgezeigt.