Forschungscampus DPP – Der Third Thursday im Januar

Wir bleiben online und Zuhause

Patrick Köhnen (RWTH DAP) und Sebastian Rott (MTU Aero Engines AG) eröffneten das neue Third Thursday-Jahr mit einem spannenden und detaillierten Vortrag zum Thema „Entwicklung und Validierung eines Konzepts zur Prozesscharakterisierung und Maschinenübertragbarkeit für das Additive Manufacturing“. Hinter diesem griffigen Titel steckt die Fragestellung „Wie können wir eine konstante und reproduzierbare Bauteilqualität über die LPBF-Maschinengrenze hinaus gewährleisten?“, die gemeinschaftlich im Sprintteam 4 bearbeitet wird. Insgesamt acht Partner mit unterschiedlichen LPBF-Anlagen, also unterschiedlichen Maschinentypen und internationalen Standorten, sowohl Anlagenhersteller als auch -anwender bringen Expertise in Datenauswertung und Prozesssimulation mit. Das birgt ein einzigartiges Potenzial: Die Weiterentwicklung des Prozessverständnisses und daraus resultierende Handlungsempfehlungen für die Maschinenübertragbarkeit.

Motivation und Herausforderung

Die Motivation und zugleich Herausforderung, vor der Sprintteam 4 im Forschungscampus DPP steht, lautet, dass sich der bislang entwickelte Prozess nur schwer und bedingt auf eine weitere LPBF-Maschine übertragen lässt. Sprintteam 4 möchte aus diesem Grund ein Konzept entwickeln, das eine verbesserte Prozessübertragbarkeit zwischen unterschiedlichen LPBF-Anlagen bzw. von Single- zu Multilaserprozessen ermöglicht. Mit einer Auswahl unterschiedlicher in‑situ und ex‑situ-Analysemethoden werden sowohl statische und dynamische Maschinenparameter als auch Bauteile umfassend charakterisiert. Aus den gewonnenen Daten soll eine zentrale Datenbank aufgebaut werden, um eine automatisierte Auswertung von Maschinen-, Prozess- und Bauteildaten zu ermöglichen. Von enormer Bedeutung ist dabei die Identifikation von Faktoren mit dem größten Einfluss auf die Bauteilqualität sowie einer akzeptablen Varianz der Einflussfaktoren. Die erzielten Ergebnisse werden dabei zusätzlich zur Weiterentwicklung bisheriger LPBF-Prozesssimulationen verwendet.

Die verschiedenen Methodenansätze sind konkret:

  • Ex-situ Maschinenmessung: Statische Anlagenparameter (Laserleistung, Strahlkaustik …)
  • In-situ Prozessbeobachtung / Sensorik: dynamische Anlagenparameter (Pyrometrie, Optische Tomographie, hochauflösende Pulverbettkamera, Beschleunigungssensoren …)
  • Ex-situ Bauteilmessung (3D Vermessung, CT Scan, metallografische Untersuchungen

Erster Sprint

Ziel des ersten Sprints ist die Identifikation von Messgrößen und Randbedingungen für die 1. Iteration an Ringversuchen (Werkstoff, Datenaufbereitung und Baujob sowie Messmittel und Analysemethoden). In insgesamt 6 Themenblöcken innerhalb von 4 Halbtagen verteilt auf 2 Wochen präsentierte und diskutierte das Team zunächst die bisherigen Erfahrungen der verschiedenen Unternehmen zu kritischen Einflussfaktoren beim LPBF-Monitoring („Monitoring kritischer Einflussfaktoren 1 & 2). Fokus lag dabei auf der in-situ Sensorik und dem Prozess-Monitoring. Des Weiteren stellten die verschiedenen Unternehmen ihre individuellen Möglichkeiten zur Prozessdatenspeicherung und AM-Prozesssimulationssoftware vor. In den anschließenden Diskussionsblöcken 1-3 konzentrierte sich das Sprintteam dann auf die Definition kritischer Einflussfaktoren (Bauteilqualität und unterschiedliche Anforderungen), den Werkstoff selbst (Definition) und den Entwurf eines prototypischen Standardbaujobs (u.a. Abbildung komplexer Geometrien, definierter Defekte …). Abschließend, nach Festlegung der verschiedenen Kapazitäten, erstellten sie einen gemeinsamen Projektstrukturplan für die kommenden Monate.

Aktueller Zwischenstand

Derzeit arbeitet das Sprintteam an einem maschinenübergreifenden Referenzbaujob. Da Sprintteam 4 eine der höchsten Mitgliederzahlen unter den insgesamt 17 Sprintteams aufweist, wird zunächst ein Ringversuch intern am RWTH-Lehrstuhl Digital Additive Production (DAP) zur Validierung der Methodik durchgeführt. Erst im Anschluss ist es sinnvoll, einen großen Ringversuch im ganzen Konsortium zu starten.

In Sprintteam 4 mit dabei sind: Aconity GmbH, EOS GmbH Electro Optical Systems, ESI Group, EXAPT Systemtechnik GmbH, Ford-Werke GmbH, GKN Sinter Metals Engineering GmbH, MTU Aero Engines AG, RWTH Aachen DAP, Siemens AG, TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH.

Von Vorteil ist bei diesem Projekt, dass das Sprintteam auf bereits vorhandenem Wissen aus DPP 1.0 aufbauen können. Innerhalb der ersten 5 Jahre DPP wurden essenzielle Vorarbeiten zur Maschinenübertragbarkeit und robusten LPBF-Prozessen sowie kritischen Einflussfaktoren geleistet. Beispielweise kann der Referenzbaujob aus DPP 1.0 weiterentwickelt werden, sodass an jedem Prüfkörper eine Validierung der Ausgangsgrößen stattfinden kann.

Im Anschluss an die beiden Vorträge gab es einen angeregten Austausch, unter anderem zu verschiedenen möglichen Methodikansätzen. Obwohl wir derzeit „nur“ online zusammenfinden können, freuen wir uns sehr über hohe Teilnehmerzahlen – dieses Mal waren 38 Personen beim Third Thursday des Forschungscampus DPP zu Gast!

Vorstellung MTU

Die MTU Aero Engines AG ist Deutschlands führender Triebwerkshersteller und weltweit eine feste Größe. Sie entwickelt, fertigt, vertreibt und betreut zivile und militärische Luftfahrtantriebe aller Schub- und Leistungsklassen sowie Industriegasturbinen. Das Unternehmen hat rund 10.000 Beschäftigte und ist mit Tochter- und Beteiligungsgesellschaften weltweit präsent. Eine technologische Spitzenstellung nimmt sie bei Niederdruckturbinen, Hochdruckverdichtern, Turbinenzwischengehäusen sowie Herstell- und Reparaturverfahren ein. Im zivilen Geschäft entwickelt und fertigt die MTU Triebwerksmodule und -komponenten und verantwortet Triebwerksendmontagen. Im Bereich der zivilen Instandhaltung zählt das Unternehmen zu den Top 3 der weltweiten Dienstleister. Im militärischen Bereich ist die MTU der Systempartner für fast alle Luftfahrtantriebe der Bundeswehr.

Das Vorhaben „Flightpath 2050“ zielt auf eine Verbesserung der Kohlenstoffemissionen ab. Konventionelle Maschinen sollen einen größeren Anteil an Additive Manufacturing-Technologie, eine höhere Designkomplexität und anspruchsvollere Fertigungskapazitäten enthalten.

AM @MTU: Qualitätssicherung durch die Optische Tomographie (OT) ermöglicht die vollständige Beobachtung/ Kontrolle jeder einzelnen Schicht während eines Baujobs und wurde bereits erfolgreich bei seriellen Produktionsbauteilen eingesetzt. Das Qualitätssicherungssystem soll die gesamte Prozesskette abdecken können. Vorteile des OT-Ansatzes ist eine signifikante Kostenreduzierung durch die Möglichkeit, jedes einzelne Bauteil hinsichtlich seiner Qualität bewerten zu können. Verschiedene Evaluationsmöglichkeiten bieten sich im Rahmen der Produktion an: Man definiert einen absoluten Bereich, der auf alle Schichten angewendet wird, man macht eine experimentelle Toleranzauswertung für jede einzelne Schicht oder man simuliert Toleranzen für jede Schicht.

Vorstellung RWTH-Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP

Der Lehrstuhl Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University erforscht die grundlegenden technischen und wirtschaftlichen Zusammenhänge des Additive Manufacturings (AM) gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft. Beginnend beim Bauteildesign, über die Supply Chain, die Produktion und das Bauteilhandling bis hin zu den Einsatzeigenschaften additiv gefertigter Komponenten werden alle horizontalen und vertikalen Bestandteile der Prozesskette betrachtet und hinsichtlich ihrer fundamentalen Zusammenhänge untersucht.

Neben der Weiterentwicklung bestehender AM-Prozesse sowie vorhandener Maschinen- und Systemtechnik, ist insbesondere die Fokussierung auf softwaregetriebene end-to-end Prozesse ein wesentlicher Arbeitspunkt des Lehrstuhls DAP. Angefangen vom bionischen Leichtbau, über die Funktionsoptimierung für AM und dem Design „Digitaler Materialien“, bis hin zur Validierung im realen Prozess und der Ableitung statischer und dynamischer Kennwerte, können die Vorteile additiver Verfahren unter Einsatz digitaler Technologien nutzbar gemacht werden. Dazu stehen nahezu allen gängigen Software-Suiten im Bereich der Autorensysteme (CAD) und kommerziell verfügbare CAx-Systeme, FEM-Modellierer etc. zur Verfügung. Maschinenseitig stehen sowohl marktübliche Anlagen als auch angepasste Laborsysteme und Versuchsaufbauten bereit.

Unser nächster Third Thursday findet am 18.02.2021 um 16:30 Uhr statt. Dann zu Gast: Charlotte Stehmar (Fraunhofer IPT) und Dr. Marc Stautner (ModuleWorks).