„Wem es gelingt, mit einem besseren Produkt weit vor der Konkurrenz am Markt zu sein, sichert sich einen klaren Wettbewerbsvorteil.“ Diese Aussage unterstreicht die besondere Bedeutung des Faktors Zeit im Zieldreieck von schneller Produktentwicklung, kosten¬günstiger Herstellung und hoher Qualität. Die Forderung nach kürzeren Entwicklungs¬zyklen, um eine schnellere Marktpräsenz zu ermöglichen, übt auf die Konstruktions- und Prototypen¬abteilungen der Unternehmen einen starken Zeitdruck aus. Zusätzlich müssen durch sinkende Produkt¬lebenszeiten die Kosten der Entwicklungsphase reduziert werden, damit ein Erzeugnis früher gewinnbringend für ein Unternehmen wird.
Ein entscheidender Zeit- und Kostenfaktor für das Erreichen der Marktreife eines Produktes ist die Erstellung von Prototypen. Diese dienen als Design-, Funktions- und Fertigungsstudien und werden schon früh in die Planungsphase einbezogen. Die hohen Kosten resultieren aus dem erheblichen manuellen Aufwand, der bei der Erzeugung von Prototypen nötig ist. Dank neuer, automatisierter Fertigungsverfahren lässt sich der Zeit- und Kostenaufwand aber wesentlich reduzieren. Diese generativen Fertigungsverfahren, die unter dem Sammelbegriff „Rapid Prototyping“ zusammengefasst werden, erlauben die Herstellung von Werkstücken ohne Umwege aus CAD-Daten. Dabei wird ein Körper schichtweise aus Material aufgebaut – ein entgegengesetzter Weg zum Zerspanen. Mittler¬weile kann der Anwender aus ca. 20 verschiedenen kommerziellen Verfahren wählen. Eines davon ist das selektive Lasersintern – 1986 an der University of Texas in Austin entwickelt, bei dem ein schichtweise aufgetragenes Pulver mit Hilfe eines Lasers lokal erhitzt und gesintert wird. Im Vergleich zu allen anderen Rapid Prototyping-Verfahren besitzt das selektive Laser¬sintern den Vorteil des großen Umfangs an verarbeitbaren Werkstoffen, denn prinzipiell ist jedes pulverförmige, schmelzbare Material verwendbar.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Wirtschaftliche Bedeutung des Rapid Prototyping
2.2 Datenaufbereitung für RP-Systeme
2.3 Übersicht der wichtigsten RP-Verfahren
2.3.1 Stereolithographie (SL)
2.3.2 3D-Printing (3DP)
2.3.3 Fused Deposition Modelling (FDM)
2.3.4 Laminated Object Manufacturing (LOM)
2.3.5 Selektives Lasersintern (SLS)
2.4 Rapid Prototyping von Keramiken
2.4.1 Stereolithographie (SL)
2.4.2 3D-Printing (3DP)
2.4.3 Fused Deposition of Ceramics (FDC)
2.4.4 Laminated Object Manufacturing (LOM)
2.4.5 Selektives Lasersintern (SLS)
2.5 Verfahrensablauf der Bauteilherstellung mittels selektiver Laserstrahl-Vernetzung (SLV)
2.5.1 Formgebung des Ausgangspulvers in der Lasersinteranlage
2.5.2 Funktionsprinzip der SLV
2.5.3 Energieeintrag in das Pulver
2.5.4 Technologie der SLV
2.5.5 Eigenspannungen bei der SLV
2.6 Eigenschaften des präkeramischen Polymers Polymethylsiloxan
2.7 Aufgabenstellung und Zielsetzung
3 Experimentelle Durchführung
3.1 Ausgangsstoffe
3.1.1 Polymethylsiloxan
3.1.2 Keramische Füllstoffe
3.2 Herstellung der Proben
3.3 Untersuchungsmethoden
3.3.1 Benetzungsversuche
3.3.2 FTIR-Spektroskopie
3.3.3 Thermogravimetrische Messungen
3.3.4 Temperaturmessungen
3.3.5 Gefügeuntersuchungen
3.3.5 a) Röntgenographische Phasenanalyse
3.3.5 b) Dichte und Porosität
3.3.5 c) Mikroskopie
3.3.6 Mechanische Festigkeit
4 Ergebnisse
4.1 Rieselfähigkeit der Ausgangsmischung
4.2 Benetzbarkeit der keramischen Partikel mit dem PMS
4.3 Grundlagenversuche zur Wechselwirkung Laserstrahl – Ausgangspulver
4.3.1 Optische Eigenschaften des Ausgangspulvers
4.3.2 Temperaturmessungen während der Laser-Vernetzung
4.3.3 Entstehung von Linien und Schichten während der Laser-Vernetzung
4.3.3 a) Optische Erscheinung der vernetzten Schichten
4.3.3 b) Linienbreite und Sintertiefe
4.4 Maßabweichung vernetzter Biegeprobestäbchen
4.5 Eigenspannungen – Krümmung von Biegeprobestäbchen
4.5.1 Krümmung bei vernetzten Biegeprobestäbchen
4.5.2 Durchbiegung bei pyrolysierten Biegeprobestäbchen
4.6 Formstabilität während der Pyrolyse – Aufschmelzverhalten der Proben
4.7 Keramische Ausbeute
4.8 Lineare Schwindung
4.9 Gefügeuntersuchungen an vernetzten und pyrolysierten Proben
4.9.1 Röntgenographische Phasenanalyse
4.9.2 Dichte und Porosität
4.9.2 a) Dichte vernetzter und pyrolysierter Biegeprobestäbchen
4.9.2 b) Porosität vernetzter und pyrolysierter Biegeprobestäbchen
4.9.3 Gefüge der vernetzten und pyrolysierten Proben
4.9.3 a) Einfluss des Füllstofftyps: Al2O3 oder SiC
4.9.3 b) Einfluss des Füllstoffanteils
4.9.3 c) Einfluss der Laserparameter
4.10 Postinfiltration mit Silizium
4.11 Mechanische Festigkeit
4.12 Near-Net-Shape Fertigung des Musterbauteils ‚Turbinenrad’
5 Diskussion
5.1 Einfluss des Füllstoffs auf die SLV
5.2 Einfluss des Füllstoffanteils auf die SLV
5.3 Einfluss der Laserparameter auf die SLV
5.4 Eignung der verwendeten Pulvermischungen
6 Schlussfolgerungen
7 Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Arbeit untersucht das Potenzial der selektiven Laser-Vernetzung (SLV) von präkeramischen Polymeren zur Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe. Ziel ist es, einen stabilen Prozess zu realisieren, der maßhaltige Bauteile mit guten mechanischen Eigenschaften ermöglicht und die Schwindung während des keramischen Umwandlungsprozesses minimiert.
- Analyse der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Pulvergemisch
- Einfluss der Pulverzusammensetzung und Füllstoffwahl auf die Bauteileigenschaften
- Optimierung der Prozessparameter zur Reduzierung von Verzug und Porosität
- Untersuchung der thermischen Nachbehandlung und Infiltration
- Demonstration der Near-Net-Shape Fertigung anhand eines Musterbauteils (Turbinenrad)
Auszug aus dem Buch
2.1 Wirtschaftliche Bedeutung des Rapid Prototyping
Im Produktentstehungsprozess spielen Prototypen seit langem eine wesentliche Rolle. Sie werden für Designstudien eingesetzt, wie z. B. im Automobilbau, da anhand eines greifbaren, dreidimensionalen Objekts die Wirkung auf den Betrachter weit besser überprüft werden kann, als durch Zeichnungen oder Abbildungen auf dem Computerbildschirm. Außerdem dienen Prototypen funktionalen Tests, bei denen die Einsatzfähigkeit der Bauteile überprüft wird. Notwendige Änderungen können somit frühzeitig erkannt werden und fließen in den Entwicklungsprozess ein.
In Abbildung 2.1 sind die steigenden Kosten für Änderungen im Verlauf der Produktentwicklung schematisch dargestellt. Je früher ein Fehler bzw. Verbesserungsvorschlag eingebracht wird, desto weniger Kosten werden verursacht. Deshalb ist der Einsatz von Prototypen aus ökonomischer Sicht in den meisten Fällen unabdingbar. Insofern haben Unternehmen ein starkes Interesse an einer Zeit- und Kostenersparnis bei der Herstellung von Prototypen, um diese in ausreichendem Maße in die Entwicklung neuer Werkstücke einbinden zu können. Durch die neuartigen RP-Verfahren kann der Zeit- und Kostenaufwand um durchschnittlich die Hälfte reduziert werden; daher gewinnt das RP immer mehr an Bedeutung.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung erläutert die Bedeutung des Rapid Prototyping zur Reduzierung von Entwicklungszeiten und Kosten und stellt das innovative Verfahren der selektiven Laser-Vernetzung (SLV) vor.
2 Grundlagen: Dieses Kapitel vermittelt theoretische Hintergründe zu Rapid Prototyping-Verfahren, der Datenausbereitung und den spezifischen Eigenschaften des verwendeten Polymers Polymethylsiloxan (PMS).
3 Experimentelle Durchführung: Hier werden die verwendeten Ausgangsstoffe, die Probenherstellung mittels SLV, die verschiedenen Pyrolyseschemata sowie die angewandten Untersuchungsmethoden (u.a. FTIR, REM, Biegeprüfung) detailliert beschrieben.
4 Ergebnisse: Das umfangreichste Kapitel präsentiert die experimentellen Daten zur Rieselfähigkeit, Benetzbarkeit, Maßhaltigkeit, Schwindung, Dichte und Porosität sowie die Gefügeuntersuchungen der Proben.
5 Diskussion: Die erzielten Ergebnisse werden hier interpretiert und der Einfluss der Füllstoffe, Füllstoffanteile sowie Laserparameter auf die Werkstoffeigenschaften kritisch diskutiert.
6 Schlussfolgerungen: Dieses Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen und gibt Ausblicke auf Optimierungspotenziale sowie alternative Infiltrationsstrategien.
7 Zusammenfassung: Der letzte Abschnitt bietet einen kompakten Überblick über die gesamte Arbeit, von der Motivation bis zu den erzielten Ergebnissen der Turbinenrad-Fertigung.
Schlüsselwörter
Selektive Laser-Vernetzung, SLV, Rapid Prototyping, Präkeramische Polymere, Polymethylsiloxan, PMS, Keramische Verbundwerkstoffe, Pyrolyse, Siliziuminfiltration, SiC, Al2O3, Near-Net-Shape, Maßhaltigkeit, Porosität, Mechanische Festigkeit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung keramischer Bauteile durch die sogenannte selektive Laser-Vernetzung (SLV) von präkeramischen Polymeren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Themen sind der Einfluss von Füllstofftypen (Al2O3 und SiC) und deren Anteilen auf den Sinterprozess, die Maßhaltigkeit der generierten Grünkörper sowie deren Verhalten während der Pyrolyse und Siliziuminfiltration.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, einen stabilen Fertigungsprozess zu etablieren, mit dem voll funktionsfähige keramische Prototypen mit hoher Maßgenauigkeit und guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden generative Fertigungsmethoden (SLV) eingesetzt, kombiniert mit thermischen Prozessen wie der Pyrolyse und einer reaktiven Infiltration mit Silizium, ergänzt durch Gefüge- und Festigkeitsanalysen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil (Kapitel 4) werden die experimentellen Versuchsreihen, wie die Variation der Laserenergie und der Materialzusammensetzung, deren Einfluss auf die Dichte, Schwindung und Mikrostruktur sowie die Fertigung eines komplexen Musterbauteils detailliert dokumentiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie selektive Laser-Vernetzung, präkeramische Polymere, Rapid Prototyping, Siliziuminfiltration und near-net-shape Fertigung beschreiben.
Warum wird Polymethylsiloxan (PMS) als Ausgangsmaterial verwendet?
PMS bietet den Vorteil, dass es bei niedrigen Temperaturen wie ein Polymer verarbeitet werden kann, aber bei der anschließenden Pyrolyse in eine stabile keramische Matrix umgewandelt wird.
Wie wirkt sich die Zugabe von Füllstoffen wie Al2O3 oder SiC aus?
Die Füllstoffe dienen als Magerungsmittel, um den Volumenschwund des Polymers während der Pyrolyse zu kompensieren, was zu einer deutlich verbesserten Maßhaltigkeit und Formstabilität der Bauteile führt.
Welche Bedeutung hat die Infiltration mit Silizium?
Die Infiltration dient dazu, die nach der Pyrolyse im Bauteil verbliebene Restporosität zu füllen und somit die mechanische Festigkeit der keramischen Werkstücke signifikant zu erhöhen.
- Quote paper
- Tobias Friedel (Author), 2004, Herstellung von keramischen Verbundwerkstoffen mittels Rapid Prototyping (SLS), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/31400
