Ein Beitrag zur Entwicklung des Elektronenstrahlsinterns (eBook)

Geleitwort der Herausgeber 8
Vorwort 10
Inhaltsverzeichnis 12
Verzeichnis der Formelzeichen 18
1 Einführung 22
1.1 Ausgangssituation 22
1.2 Zielsetzung 24
1.3 Vorgehensweise 24
2 Stand der Technik und Verfahrensgrundlagen 26
2.1 Grundlagen der Rapid-Technologien 26
2.2 Schichtweise Herstellung metallischer Bauteile 31
2.3 Einführung in die Elektronenstrahltechnologie 38
2.4 Methodische Entwicklung 47
2.5 Zusammenfassung und Handlungsbedarf 51
3 Vorgehensweise zur Entwicklung von generativen Verfahren 54
3.1 Grundmuster der Vorgehensweise 54
3.2 Adaption des Münchener Vorgehensmodells 55
4 Entwicklung der inneren Teilsysteme 68
4.1 Versuchsanlage 68
4.2 Teilsystem Elektronenstrahl 71
4.3 Teilsystem Metallpulver 78
4.4 Teilsystem Prozesssteuerung 91
4.5 Zusammenfassung 97
5 Entwicklung der äußeren Teilsysteme 98
5.1 Allgemeines 98
5.2 Strahl-Stoff-Wechselwirkungen 98
5.3 Materialbereitstellung 109
5.4 Belichtungsstrategie 121
5.5 Technologische und wirtschaftliche Bewertung 153
6 Zusammenfassung und Ausblick 158
7 Literaturverzeichnis 162
8 Abbildungsverzeichnis 172
9 Anhang 178
9.1 Anforderungsliste Pulverauftrag 178
9.2 Auftragsmechanismus 180
9.3 Versuchsdurchführung und Auswertung von 2DVersuchen 181
9.4 Flussdiagramm NC-Programm für den Schichtauftrag 183
9.5 Aufbau des Simulationsprogrammes 184
9.6 Referenzierte Firmen 185

3 Vorgehensweise zur Entwicklung von generativen Verfahren (S. 33-34)

3.1 Grundmuster der Vorgehensweise

Obwohl es sich bei generativen Verfahren im Vergleich zu konventionellen Prozessen um noch sehr junge Fertigungsverfahren handelt, wurde bereits eine Vielzahl an Methoden für die Entwicklung einzelner Technologien eingesetzt. Umfangreiche Vorgehensweisen, wie das DoE, wurden dabei auf die wesentlichen oder notwendigen Methoden beschränkt. Diese Methoden werden darüber hinaus auf Teilprobleme der Entwicklung von generativen Verfahren angewandt. Das Eingrenzen auf spezifische Problemstellungen in den bisherigen wissenschaftlichen Arbeiten ist in erster Linie auf die Komplexität und den hohen Umfang einer umfassenden Entwicklung von der Prozessidee bis hin zur produktionsfähigen Anlage zurückzuführen. Die bis dato sehr erfolgreiche Entwicklung und Optimierung der Verfahren lässt zunächst vermuten, dass diese Vorgehensweise weiterhin Erfolg versprechend ist. Bei näherer Betrachtung zeigt sich allerdings eine Eingrenzung in immer kleinere Entwicklungsschritte. Beispielsweise wurde die Oberflächenqualität der Bauteile in den letzten Jahren nur noch gering verbessert. Dies liegt auch in der bisherigen Vorgehensweise begründet. Die einzelnen Eigenschaften der generativen Verfahren, wie die Laserleistung, wurden in eingehenden Untersuchungen bis an ihre Grenzen optimiert. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilaspekten konnten hierbei nur eingegrenzt betrachtet werden. Deshalb ist eine Vorgehensweise notwendig, innerhalb derer sowohl die Teilaspekte der Prozessentwicklung als auch die Wechselwirkungen mit der Anlagentechnik betrachtet werden können.

Ein entscheidender Aspekt hierbei ist die Flexibilität der Vorgehensweise. Werden mehrere Teilsysteme einer Technologie entwickelt, so ergeben sich gerade durch neue Erkenntnisse in einem Teilsystem veränderte Voraussetzungen bei einem anderen Prozess. Daher wird als Vorgehensweise für eine ganzheitliche Entwicklung einer generativen Technologie das MVM gewählt. Dieses bietet durch die Flexibilität in der Anwendung genügend Freiraum, um über die Problemstellungen in einem Teilsystem hinaus die Wechselwirkungen durch neue Erkenntnisse in ein anderes Teilsystem zu übertragen. Das Grundmuster der Vorgehensweise in der Entwicklung des Elektronenstrahlsinterns teilt sich also auf die sieben Schritte des MVM auf. Im Weiteren wird diese Vorgehensweise an die jeweiligen Teilsysteme angepasst und mittels ausgewählter Methoden angewandt. Durch die umfangreiche Aufgabenstellung in der Entwicklung muss darüber hinaus der Detaillierungsgrad spezifisch angepasst werden. Hier gilt das Grundprinzip „vom Ganzen zum Detail“ (DAENZER &, BÜCHEL 2002). Dadurch wird gewährleistet, dass das Betrachtungsfeld zunächst weit gefasst ist und anschließend schrittweise eingegrenzt werden kann.

3.2 Adaption des Münchener Vorgehensmodells

Die Entwicklung der generativen Verfahren ist meist eine Weiterentwicklung von vorhandenen Verfahren oder Anlagen. Die Basis bildet dabei immer das Prinzip des schichtweisen Aufbaues. Im Münchener Vorgehensmodell können also in einer abstrakten Ebene die sieben Schritte mit bereits durchgeführten Arbeiten hinterlegt werden. Die unterschiedlichen generativen Verfahren befinden sich dabei auf verschiedenen Entwicklungsniveaus. Von neu zu entwickelnden Technologien, wie dem Selective Inhibition of Sintering (SIS, ASIABANPOUR et al. 2003, KHOSHNEVIS et al. 2002), bis hin zu am Markt verfügbaren Verfahren, wie dem Indirekten Metall-Lasersintern (BEAMAN 1997), reicht die Spannweite des Entwicklungsstandes. Nicht nur der Stand der Technik in den einzelnen Technologien, sondern auch die Unterschiede in den Verfahren selbst, sind gravierend. Selbst die Einschränkung auf direkte Metall verarbeitende Verfahren ist nicht ausreichend für die Erstellung eines übergreifend gültigen Methodenbaukastens. Zu vielfältig sind die Entwicklungsziele in den einzelnen Verfahren. Eine Adaption der Entwicklungsmethoden kann daher ausschließlich auf einzelne Verfahren angewendet werden. Die zu entwickelnde Vorgehensweise wird deshalb im Folgenden auf das Elektronenstrahlsintern metallischer Bauteile beschränkt. Dabei wird zunächst das MVM im Standardweg, also sequenziell entlang der sieben Teilschritte, durchlaufen. Im zweiten Schritt werden die einzelnen Teilsysteme behandelt.