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abstract.tex

@@ -4,7 +4,7 @@
 \begin{abstract}
 Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Metall-3D-Druck, spezifisch den \acrfull{slm} und \acrfull{lmd} Verfahren und deren Limitationen beziehungsweise deren Möglichkeiten. 
 Zudem werden die am meisten genutzten Materialien und deren hauptsächliche Anwendungsgebiete betrachtet.
-Weiters werden die druckbaren Geometrien als auch die Auswirkungen der Orientierung während des Druckpreozesses beider Technologien und die Bedeutung von \it{Supports} im Kontext der Nach-Bearbeitung beleuchtet. 
+Weiters werden die druckbaren Geometrien als auch die Auswirkungen der Orientierung während des Druckprozesses beider Technologien und die Bedeutung von \it{Supports} im Kontext der Nach-Bearbeitung beleuchtet.
 Im \acrshort{lmd}-Verfahren wird auch auf \it{Hybridmaschinen} eingegangen.
 Desweiteren wird auf einige Anwendungsbeispiele von beiden Technologien eingegangen, darunter Luftfahrt, Medizin und Ersatzteil-Produktion. 
 \end{abstract}

chapters/einfuehrung.tex

@@ -30,7 +30,7 @@ \subsection{Historisches}
 
 Das erste Pulverbett-Metall-3D-Druck-Verfahren, \acrfull{slm}, wurde kurz darauf im Jahr 1995 in Deutschland entwickelt und patentiert. Es wird unter vielen Namen vertrieben, wie \it{Direct Metal Laser Sintering} oder unter dem Überbegriff \it{Powder-Bed-Fusion}. Offiziell wurde das Verfahren als Sinter-Verfahren eingestuft durch das IEEE (\it{Institute of Electrical and Electronics Engineers}), was jedoch eine wissenschaftlich gesehen falsche Kategorisierung ist, da ein Sinter-Verfahren das Grundmaterial nur \say{erweicht} und nicht vollständig aufschmilzt, wie es im SLM-Prozess geschieht. \parencite{SINTER_SMELT} Übliche Materialien für den SLM-Druck sind Aluminium-, Stahl- und Titan-Legierungen. Oft verwendet wird der Edelstahl 316L mit einem Schmelzpunkt von \qty{1390}{\celsius} und \qty{1440}{\degreeCelsius} \parencite{610LSTEEL} oder der Werkzeugstahl 1.2709 für Spritzguss-Formen. \parencite{steel12709} Diese Temperatur ist nur bewerkstelligbar durch einen starken Laser mit einer Leistung von \qty{400}{\watt} bei den meisten industriellen Maschinen bis hin zu über \qty{12}{\kilo\watt}.
 \subsection{Digitale Erschaffung und Darstellung}
-Die Grundlage eines jeden 3D-gedruckten Modells ist ein \acrfull{cad}, welches das gewünschte Teil durch 2D-Zeichnungen darstellt, welche danach zu Körpern extrudiert werden mit verschiedenen Tools. Diese Modelle werden  in \it{Standard-Tesselation-Language} (STL) konvertiert. Ein solches \it{Mesh} ist in Abbildung \ref{img:stl_1} erkennbar anhand einer Kugel. Dieses Format ist für den \it{Slicer}, ein Programm, welches das Modell für den Drucker konvertiert gedacht. Ein Slicer (engl. \it{to slice}: schneiden), \say{schneidet} das Modell in Schichten, welche der Drucker dann auftragen kann. Zusätlich kontrolliert er zumeist die Einstellungen mit welchen der Drucker arbeitet (z.B. Temperatur, Schichtdicke, Geschwindigkeit, o.Ä.). Eine STL-Datei stellt das Modell als eine Punktwolke dar, wobei immer 3 Punkte ein Dreieck, auch bekannt als \it{Facet} oder \it{Face}, bilden. Ein weiterer Aspekt, welcher von STL-Dateien gespeichert wird ist der Normalvektor eines jeden Dreiecks, mit welchem der Slicer berechnen kann, ob es eine \say{innere} oder \say{äußere} Wand ist, um eine etwaige Füllung des Teils mit \it{Lattice}-Strukturen, also einem unterstützenden Gerüst, zu ermöglichen ohne das äußere Erscheinungsbild zu beeinträchtigen. Dies ist insofern relevant, da schlecht exportierte STL-Dateien oft fehlerhafte Normalvektoren enthalten und somit beinahe undruckbar sind ohne manuelle Reparatur durch Rückführung in die originale Topologie, welche rechnerisch sehr aufwendig ist und nicht ohne Detailverluste möglich ist.
+Die Grundlage eines jeden 3D-gedruckten Modells ist ein \acrfull{cad}, welches das gewünschte Teil durch 2D-Zeichnungen darstellt, welche danach zu Körpern extrudiert werden mit verschiedenen Tools. Diese Modelle werden  in \it{Standard-Tesselation-Language} (STL) konvertiert. Ein solches \it{Mesh} ist in Abbildung \ref{img:stl_1} erkennbar anhand einer Kugel. Dieses Format ist für den \it{Slicer}, ein Programm, welches das Modell für den Drucker konvertiert gedacht. Ein Slicer (engl. \it{to slice}: schneiden), \say{schneidet} das Modell in Schichten, welche der Drucker dann auftragen kann. Zusätlich kontrolliert er zumeist die Einstellungen mit welchen der Drucker arbeitet (z.B. Temperatur, Schichtdicke, Geschwindigkeit, o.Ä.). Eine STL-Datei stellt das Modell als eine Punktwolke dar, wobei immer 3 Punkte ein Dreieck, auch bekannt als \it{Facet} oder \it{Face}, bilden. Ein weiterer Aspekt, welcher von STL-Dateien gespeichert wird ist der Normalvektor eines jeden Dreiecks, mit welchem der Slicer berechnen kann, ob es eine \say{innere} oder \say{äußere} Wand ist, um eine etwaige Füllung des Teils mit \it{Lattice}-Strukturen, also einem unterstützenden Gerüst, zu ermöglichen, ohne das äußere Erscheinungsbild zu beeinträchtigen. Dies ist insofern relevant, da schlecht exportierte STL-Dateien oft fehlerhafte Normalvektoren enthalten und somit beinahe undruckbar sind ohne manuelle Reparatur durch Rückführung in die originale Topologie, welche rechnerisch sehr aufwendig ist und nicht ohne Detailverluste möglich ist.
 \begin{figure}[h]
 \begin{center}
 	\includegraphics[width=.7\textwidth]{stl_file_1}

chapters/fazit.tex

@@ -5,7 +5,7 @@ \section{Fazit}
 Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Metall-3D-Druck eine Gruppe von Technologien ist, an welchen aktiv geforscht wird. \acrshort{slm} ist die Haupttechnologie in Verwendung und Forschung aufgrund der vielen Möglichkeiten dessen, was damit hergestellt werden kann.
 Dennoch verwenden viele Firmen bereits einen Metall-3D-Drucker aufgrund der vielen Vorteile im Kontrast zu subtraktiver Herstellung, wie dem Einsparen von Materialien sowie auch dem Fakt, dass viele Geometrien subtraktiv nicht herstellbar sind. 
 Weiterentwicklungen der Technologien ermöglichen in Zukunft revolutionäre Möglichkeiten in Raumfahrt, Luftfahrt, Medizin und in der Wissenschaft als Ganzes, da dadurch höchst stabile Prototypen produzierbar sind.\parencite{Singh2020} 
-Weiterführend wäre eine Studie zu den tatsächlichen Einsparnissen höchst spannend, da während der Recherchen solche Daten nicht verfügbar waren. Zudem wäre auch eine praktische werkstofftechnische, destruktive Analyse von 3D-gedruckten Teilen in verschiedenen Orientierungen höchst spannend.
+Weiterführend wäre eine Studie zu den tatsächlichen Ersparnissen höchst spannend, da während der Recherchen solche Daten nicht verfügbar waren. Zudem wäre auch eine praktische werkstofftechnische, destruktive Analyse von 3D-gedruckten Teilen in verschiedenen Orientierungen höchst spannend.
 
 Im Allgemeinen war diese Arbeit eine spannende Erfahrung, besonders im Rahmen des Praktikums an der Fachhochschule Wels, in welchem ich eine \acrshort{slm}-Maschine selbst bedienen und kennenlernen durfte. Dies erlaubte mir ein viel besseres Verständnis der Technologie, welche Literatur nie vermitteln hätte können.
 

chapters/kapazitaeten.tex

@@ -30,7 +30,7 @@ \subsubsection*{Selective Laser Melting}
 \subsubsection*{Laser Metal Deposition}
 Im \acrlong{lmd}-Prozess sind die Möglichkeiten, die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen stark begrenzt durch den Fakt, dass in den meisten Maschinen nur eine Düse einsetzbar ist. Es ist dennoch möglich, durch Düsen mit größerem Material-Durchlass eine höhere Druckgeschwindigkeit zu erreicht, wobei dabei feine Strukturen schwerer druckbar werden. Die genauen Einstellungen und Kapazitäten sind von Maschine zu Maschine unterschiedlich und hängen von viel mehr Faktoren ab als im \acrlong{slm}, darunter der genaue Aufbau des Bauteils und das verwendete Material. \parencite{Mahamood2017}
 \subsection{Recycling des Exzess-Materials}
-Recycling des Restmaterials ist nur bei \acrshort{slm} von Bedeutung, da bei \acrshort{lmd} kein Restabfall entsteht. Im \acrshort{slm} ist mit Restmaterial das Pulver, welches sich nach Fertigstellung des Bauteils noch im Bett rundherum befindet gemeint. Dieses ist mit kleinen Spritzern durchzogen, welche aus der Schmelze des Lasers entsprungen sind. Da diese um einige Größenordnungen über dem Durchmesser des Pulvers liegen, sind diese höchst problematisch und können das Wiederbeschichtungswerkzeug beschädigen beim nächsten Durchlauf. Deswegen werden viele der \acrshort{slm}-Maschine entweder mit einer eingebauten Siebstation geliefert oder es wird eine externe angeboten. Diese haben zumeist eine Maschenweite von \qty{50}{\micro\meter}-\qty{80}{\micro\meter} und filtern somit jegliche Partikel aus, welche dem Prozess schaden könnten. Oft vibrieren diese Siebe mit einer hohen Frequenz, um das Material effektiver und schneller zu reinigen. Dadurch ist theoretisch eine \qty{100}{\percent}ige Materialeffizienz möglich. 
+Recycling des Restmaterials ist nur bei \acrshort{slm} von Bedeutung, da bei \acrshort{lmd} kein Restabfall entsteht. Im \acrshort{slm} ist mit Restmaterial das Pulver, welches sich nach Fertigstellung des Bauteils noch im Bett rundherum befindet gemeint. Dieses ist mit kleinen Spritzern durchzogen, welche aus der Schmelze des Lasers entsprungen sind. Da diese um einige Größenordnungen über dem Durchmesser des Pulvers liegen, sind diese höchst problematisch und können das Wiederbeschichtungswerkzeug beschädigen beim nächsten Durchlauf. Deswegen werden viele der \acrshort{slm}-Maschinen entweder mit einer eingebauten Siebstation geliefert oder es wird eine externe angeboten. Diese haben zumeist eine Maschenweite von \qty{50}{\micro\meter}-\qty{80}{\micro\meter} und filtern somit jegliche Partikel aus, welche dem Prozess schaden könnten. Oft vibrieren diese Siebe mit einer hohen Frequenz, um das Material effektiver und schneller zu reinigen. Dadurch ist theoretisch eine \qty{100}{\percent}ige Materialeffizienz möglich. 
 \subsection{Auswirkungen von Orientierung und Platzierung}
 Im Selective-Laser-Melting-Verfahren ist die richtige Orientierung im Slicer essentiell, um stabile Teile zu erhalten.
 Ein Winkel von \qty{45}{\degree} führt zu einem Teil, welcher in alle Richtungen die universell größtmögliche Stärke aufweist. Dies wird in Abb. \ref{img:ss_1} für einen Teil welcher dem Stressprofil von Abb. \ref{img:fh_1} folgt dargestellt. 
@@ -69,7 +69,7 @@ \subsection{Auswirkungen von Orientierung und Platzierung}
 	\ccaption{Massenproduktions-optimierter Druck}{Eigener Screenshot PrusaSlicer 2.6.0}
 	\label{img:supp_1}
 \end{figure}
-In der Massenproduktion wird zusätzlich dazu auch noch versucht, den Teil so hoch wie nur möglich zu orientieren, um den Platzverbrauch auf der Bauplatte zu minimieren wie in Abb. \ref{img:unsupp_1} und Abb. \ref{img:supp_1} zu erkennen ist. Durch diese Optimierung konnte die Produktionszahl in einem Druckvorgang beinahe verdoppelt werden.  zu erkennen ist. Durch diese Optimierung konnte die Produktionszahl in einem Druckvorgang beinahe verdoppelt werden.  zu erkennen ist. Durch diese Optimierung konnte die Produktionszahl in einem Druckvorgang beinahe verdoppelt werden.  zu erkennen ist. Durch diese Optimierung konnte die Produktionszahl in einem Druckvorgang beinahe verdoppelt werden. Der dabei entstehende Zeitaufwand durch das Drucken der Supportstrukturen ist dabei kein Nachteil, da diese Prozesse unbeaufsichtigt über Nacht laufen können und so die höhere Stückzahl am nächsten Arbeitstag dennoch fertig ist. \cite{lim2015}
+In der Massenproduktion wird zusätzlich dazu auch noch versucht, den Teil so hoch wie nur möglich zu orientieren, um den Platzverbrauch auf der Bauplatte zu minimieren wie in Abb. \ref{img:unsupp_1} und Abb. \ref{img:supp_1} zu erkennen ist. Durch diese Optimierung konnte die Produktionszahl in einem Druckvorgang beinahe verdoppelt werden. Der dabei entstehende Zeitaufwand durch das Drucken der Supportstrukturen ist dabei kein Nachteil, da diese Prozesse unbeaufsichtigt über Nacht laufen können und so die höhere Stückzahl am nächsten Arbeitstag dennoch fertig ist. \cite{lim2015}
 
 Bei \acrfull{lmd} kommt hierzu noch der Fakt, dass die die Maschine zumeist nicht darauf angewiesen ist Schicht für Schicht aufzubauen, sondern es auch möglich ist damit von der Seite Objekt aufzutragen wie in Abb. \ref{img:t_pipe} erkennbar ist. Dort wird wie üblich der gelbe Teil von unten nach oben schichtweise gedruckt, und für den roten Teil rotiert der Druck-Kopf um \qty{90}{\degree}, um damit die Supportstrukturen einzusparen. Zudem ist es im \acrshort{lmd} auch möglich, dadurch ein Teil für verschiedene Last-Profile gleichzeitig zu optimieren und schönere Oberflächen zu erhalten ohne Nachbearbeitung wie in Abb. \ref{img:orient_1} erkenntlich ist. Wenn die runde Oberfläche parallel zur Bauplatte ist werden dort die Schichtlinien sehr stark und auffällig. Steht sie jedoch normal dazu sind nur gleichmäßige Schichtlinien normal zur Oberfläche erkennbar, welche schneller entfernt sind und akkuratere Dimensionen einhalten können.
 \begin{figure}[H]

chapters/slm.tex

@@ -1,4 +1,4 @@
-%! TEX root = ../main.tex
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 \documentclass[../main.tex]{subfiles}
 \begin{document}
 \section{Verfahren}

main.tex

@@ -1,4 +1,5 @@
 \documentclass[12pt]{article}
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