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.

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.

Ansätze zur Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren durch die Einführung eines Kennzahlensystems

Generative Fertigungsverfahren haben sich in den letzten Jahren als effektive Werkzeuge für die schnelle Entwicklung von Produkten nahezu beliebiger Komplexität entwickelt. Gleichzeitig wird gefordert, die Reproduzierbarkeit der Bauteile und auch seriennahe bzw. seriengleiche Eigenschaften zu gewährleisten. Die Vielfalt und der Umfang der Anwendungen sowie die große Anzahl verschiedener generativer Fertigungsverfahren verlangen adäquate Qualitätsüberwachungs- und Qualitätskontrollsysteme. Ein Lösungsansatz für die Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren besteht in der Einführung eines Kennzahlensystems. Hierzu müssen zunächst Anforderungsprofile und Qualitätsmerkmale für generativ hergestellte Bauteile definiert werden, welche durch Prüfkörpergeometrien abgebildet und mit Hilfe von Einzelkennzahlen klassifiziert werden. In Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde die Qualitätsbewertung anhand von Prüfkörpergeometrien am Beispiel des Laser-Sinterprozesses qualifiziert. Durch Beeinflussung der Prozessparameter, d.h. der gezielten Einbringung von Störgrößen, welche einzeln oder in Kombination zu unzulässigen Qualitätsschwankungen führen können, ist es möglich, die Qualität des Produktes zu beurteilen. Die Definition von Einzelkennzahlen, die eine Steuerung und Kontrolle sowie eine Vorhersage potentieller Fehler ermöglicht, bietet hierbei essentielle Möglichkeiten zur Qualitätsbewertung. Eine Zusammenführung zu einem gesamtheitlichen Kennzahlensystem soll zum einen den Prozess auf Grundlage der definierten Anforderungsprofile bewerten und zum anderen einen direkten Zusammenhang der ausgewählten Störgrößen und Prozessgrößen herleiten, um vorab eine Aussage über die Bauteilqualität treffen zu können.

Impact of SLM build parameters on the surface quality

Additive manufacturing by melting of metal powders is an innovative method to create one-offs and customized parts. Branches like dentistry, aerospace engineering and tool making were indicated and the manufacturing methods are established. Besides all the advantages, like freedom of design, manufacturing without a tool and the reduction of time-to-market, there are however some disadvantages, such as reproducibility or the surface quality. The surface quality strongly depends on the orientation of the component in the building chamber, the process parameters which are laser power and exposure time, but also on the so-called “hatch”-strategy, which includes the way the laser exposes the solid areas. This paper deals with the investigation and characterization of the surface quality of generated parts produced by SLM. Main process parameters including part orientation, part size and hatch strategies are investigated and monitored. The outcome is a recommendation of suitable hatch strategies depending on desired part properties. This includes metered values and takes into account process stability and reproducibility.

Process Monitoring and Defect Detection of Additive Manufacturing Using Inline Coherent Imaging

With applications ranging from aerospace to biomedicine, additive manufacturing (AM) has been revolutionizing the manufacturing industry. The ability of additive techniques, such as selective laser melting (SLM), to create fully functional, geometrically complex, and unique parts out of high strength materials is of great interest. Unfortunately, despite numerous advantages afforded by this technology, its widespread adoption is hindered by a lack of on-line, real time feedback control and quality assurance techniques. In this thesis, inline coherent imaging (ICI), a broadband, spatially coherent imaging technique, is used to observe the SLM process in 15 - 45 $\mu m$ 316L stainless steel. Imaging of both single and multilayer builds is performed at a rate of 200 $kHz$, with a resolution of tens of microns, and a high dynamic range rendering it impervious to blinding from the process beam. This allows imaging before, during, and after laser processing to observe changes in the morphology and stability of the melt. Galvanometer-based scanning of the imaging beam relative to the process beam during the creation of single tracks is used to gain a unique perspective of the SLM process that has been so far unobservable by other monitoring techniques. Single track processing is also used to investigate the possibility of a preliminary feedback control parameter based on the process beam power, through imaging with both coaxial and 100 $\mu m$ offset alignment with respect to the process beam. The 100 $\mu m$ offset improved imaging by increasing the number of bright A-lines (i.e. with signal greater than the 10 $dB$ noise floor) by 300\%. The overlap between adjacent tracks in a single layer is imaged to detect characteristic fault signatures. Full multilayer builds are carried out and the resultant ICI images are used to detect defects in the finished part and improve upon the initial design of the build system. Damage to the recoater blade is assessed using powder layer scans acquired during a 3D build. The ability of ICI to monitor SLM processes at such high rates with high resolution offers extraordinary potential for future advances in on-line feedback control of additive manufacturing.

Process Gas Infiltration in Inconel 718 Samples during SLM Processing

Argon infiltration is a well-known problem of hot isostatic pressed components. Thus, the argon content is one quality attribute which is measured after a hot isostatic pressing (HIP) process. Since the Selective Laser Melting (SLM) process takes place under an inert argon atmosphere; it is imaginable that argon is entrapped in the component after SLM processing. Despite using optimized process parameters, defects like pores and shrink holes cannot be completely avoided. Especially, pores could be filled with process gas during the building process. Argon filled pores would clearly affect the mechanical properties. The present paper takes a closer look at the porosity in Inconel 718 samples, which were generated by means of SLM. Furthermore, the argon content of the powder feedstock, of samples made by means of SLM, of samples which were hot isostatic pressed after the SLM process, and of conventionally manufactured samples were measured and compared. The results showed an increased argon content in the Inconel 718 samples after SLM processing compared to conventional manufactured samples.

Comportamento a fatica di provini in acciaio inossidabile realizzati tramite DMLS con diverse direzioni di accrescimento

Si tratta di una tesi svolta su diverse tipologie di provini ottenuti per Direct Metal Laser Sintering. Questi campioni sono stati provati a fatica, precisamente a flessione rotante. Per determinarne il limite di fatica è stato utilizzato il metodo Dixon. Una volta stimato questo valore sono stati svolti degli attacchi chimici per verificare la presenza di cricche e porosità. Infine, per controllare le caratteristiche descritte inizialmente dalla letteratura del materiale, sono stati sottoposti ad una prova di durezza Rockwell.

Mixing performance evaluation of additive manufactured milli-scale reactors

The mixing performance of three passive milli-scale reactors with different geometries was investigated at different Reynolds numbers. The effects of design and operating characteristics such as mixing channel shape and volume flow rate were investigated. The main objective of this work was to demonstrate a process design method that uses on Computational Fluid Dynamics (CFD) for modeling and Additive Manufacturing (AM) technology for manufacture. The reactors were designed and simulated using SolidWorks and Fluent 15.0 software, respectively. Manufacturing of the devices was performed with an EOS M-series AM system. Step response experiments with distilled Millipore water and sodium hydroxide solution provided time-dependent concentration profiles. Villermaux-Dushman reaction experiments were also conducted for additional verification of CFD results and for mixing efficiency evaluation of the different geometries. Time-dependent concentration data and reaction evaluation showed that the performance of the AM-manufactured reactors matched the CFD results reasonably well. The proposed design method allows the implementation of new and innovative solutions, especially in the process design phase, for industrial scale reactor technologies. In addition, rapid implementation is another advantage due to the virtual flow design and due to the fast manufacturing which uses the same geometric file formats.

Additive manufacturing in the cycling industry: mainstream or gimmick?

INTRODUCTION. Additive manufacturing (AM) for various industries has been trailed, prototyped and used in limited production runs (Gibson, 2015). But considering additive manufacturing with metallic materials has been around for over 15 years the penetration into an industry such as cycling that values customisation and progressive design techniques has been quite limited. This case study looks at the potential of and why additive manufacturing has not progressed from concept development and prototyping into production and mainstream. Selective Laser Melting (SLM) additive manufacturing systems mainly use Stainless Steel 316 (SS316) and Titanium 6Al.4V (Ti64) as a baseline material; both these materials are extremely common in the custom and high volume bike industries. For the purposes of this article we will focus on smaller custom bike manufacturers who are typically more agile and open to high levels of customisation in their products. The study finds that whilst a high number of companies will experiment and prototype with additive manufacturing there is little evidence that the design and development process translates to ongoing production for sale to the consumer, this could be due to knowledge of design and fabrication techniques.

Mechanism study of femtosecond laser induced selective metallization (FLISM) on glass surfaces

We investigate the mechanism of selective metallization on glass surfaces with the assistance of femtosecond laser irradiation followed by electroless plating. Irradiation of femtosecond laser makes it possible to selectively deposit copper microstructures in the irradiated area on glass surfaces coated with silver nitrate films. The energy-dispersive X-ray (EDX) analyses reveal that silver atoms are produced on the surface of grooves formed by laser ablation, which serve as catalysis seeds for subsequent electroless copper plating. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fabrication of an integrated Raman sensor by selective surface metallization using a femtosecond laser oscillator

We demonstrate that a Raman sensor integrated with a micro-heater, a microfluidic chamber, and a surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate can be fabricated in a glass chip by femtosecond laser micromachining. The micro-heater and the SERS substrate are fabricated by selective metallization on the glass surface using a femtosecond laser oscillator, whereas the microfluidic chamber embedded in the glass sample is fabricated by femtosecond laser ablation using a femtosecond laser amplifier. We believed that this new strategy for fabricating multifunctional integrated microchips has great potential application for lab-on-a-chips. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Selective metallization on insulator surfaces with femtosecond laser pulses

We report selective metallization on surfaces of insulators ( glass slides and lithium niobate crystal) based on femtosecond laser modification combined with electroless plating. The process is mainly composed of four steps: (1) formation of silver nitrate thin films on the surfaces of glass or crystal substrates; (2) generation of silver particles in the irradiated area by femtosecond laser direct writing; (3) removal of unirradiated silver nitrate films; and (4) selective electroless plating in the modified area. We discuss the mechanism of selective metallization on the insulators. Moreover, we investigate the electrical and adhesive properties of the copper microstructures patterned on the insulator surfaces, showing great potential of integrating electrical functions into lab-on-a-chip devices. (C) 2007 Optical Society of America.

Space-selective co-precipitation of silver and gold nanoparticles in femtosecond laser pulses irradiated Ag+, Au3+ co-doped silicate glass

We report on space-selective co-precipitation of silver and gold nanoparticles in Ag+, Au3+ co-doped silicate glasses by irradiation of femtosecond laser pulses and subsequent annealing at high temperatures. The color of the irradiated area in the glass sample changed from yellow to red with the increase of the annealing temperature. The effects of average laser power and annealing temperature on precipitation of the nanoparticles were investigated. A reasonable mechanism was proposed to explain the observed phenomena. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.