Thema

Titel: Additive Fertigung: Modellierung der thermo-mechanischen Vorgänge beim selektiven Lasersintern von Thermoplasten
Typ:
  • Bachelorarbeit
  • Studienarbeit
  • Masterarbeit
Betreuer:
Status: offen

Hintergrund

Generative Fertigungsverfahren gewinnen auf dem internationalen Markt zunehmend an Bedeutung. Zum einem können Bauteile geringer Losgröße wirtschaftlich produziert werden und zum anderen ist es möglich, komplexe Geometrien zu fertigen, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht oder nur aufwendig realisierbar sind.

Bei der generativen Fertigung werden die Bauteile grundsätzlich additiv und meistens schichtweise erzeugt. Eines der dabei eingesetzten Verfahren ist das selektive Lasersintern (SLS) von Thermoplasten. Bei diesem Prozess wird Pulver durch einen Beschichter gleichmäßig auf der Baufläche aufgetragen und durch Heizelemente knapp unter den Schmelzpunkt des Materials erwärmt. Anschließend werden die späteren Bauteilbereiche durch den Energieeintrag eines Lasers aufgeschmolzen und dadurch zusammengefügt.

Problemstellung

Die Oberflächentemperatur und die Temperaturen innerhalb des Pulverkuchens beeinflussen maßgeblich die Eigenschaften des zu fertigenden Bauteils. Ziel ist es deshalb die Temperatur im gesamten Bauraum innerhalb des Sinterfensters des verwendeten Werkstoffs zu halten, um die thermischen Spannungen und somit Verzug durch vorzeitige Kristallisation zu verhindern und eine gute Verbindung der einzelnen Bahnen und Schichten zu erreichen. Neben der Temperaturverteilung beeinflusst eine Vielzahl weiterer Parameter, wie beispielsweise die Korngröße des Materials, die Laserleistung oder die Scangeschwindigkeit maßgeblich die Bauteilqualität. Mangelhafte Prozessbedingungen können zu Curling, Materialverfärbungen oder geringen Festigkeitswerten im Bauteil führen.

Aufgabe

In dieser Arbeit sollen die wesentlichen Einflussparameter (Prozess- und Materialeigenschaften) des selektiven Lasersinterns von Thermoplasten identifiziert werden, um die Prozessgeschwindigkeit und Bauteilqualität zu erhöhen. Dazu soll eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt werden. Dabei sollen unter anderem Erfahrungswerte aus dem selektiven Laserschmelzen (SLM) von Metallen geprüft, adaptiert und übernommen werden. Anschließend sollen die Zusammenhänge der ermittelten Parameter analysiert und deren Einfluss, in Bezug auf die Prozessgeschwindigkeit und Bauteilqualität, bewertet werden. Dabei spielen insbesondere die thermomechanischen Vorgänge während des Bauprozesses eine entscheidende Rolle.

Basierend auf den identifizierten und bewerteten Eigenschaften, sollen physikalische Modelle mit definierten Schnittstellen (Ein- und Ausgabewerte) entworfen werden, die eine Beschreibung des Prozesses ermöglichen. Diese Modelle sollen so strukturiert und abgegrenzt werden, dass der Detailierungsgrad der Modellierung des Systems variabel gestaltet werden kann. Die konzipierten Modelle sollen in Matlab implementiert werden.

Die erstellten Module sollen in weiterführenden Arbeiten als Grundlage für die Entwicklung eines Programms genutzt werden, dass die Zustände innerhalb des Prozesses mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode berechnen kann. Dadurch sollen Parameter wie die Laserleistung oder die Scanstrategie angepasst werden können, um die Prozessgeschwindigkeit und gleichzeitig die Bauteilqualität zu steigern.

Die Arbeit umfasst folgende Arbeitspunkte:

  • Einarbeitung in die Generative Fertigung (insbesondere selektives Lasersintern)
  • Analyse der Problemstellung
  • Literaturrecherche und Stand der Technik
  • Konzeptentwurf und Modellbildung
  • Implementierung in MATLAB
  • Validierung

Anforderung

  • Interesse an Generativer Fertigung
  • Eigenständige und kreative Arbeitsweise

Kenntnisgewinn

  • Einblicke und Wissensaufbau im Bereich der Generativen Fertigung
  • Arbeitsweise mit MATLAB
  • Wissenschaftliches Arbeiten