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simonwoegerb committed Feb 22, 2024
1 parent ab11088 commit de464ef
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1 change: 0 additions & 1 deletion abstract.tex
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\documentclass[../main.tex]{subfiles}
\begin{document}
\begin{abstract}
\addcontentsline{toc}{section}{\abstractname}
\blindtext
\end{abstract}
\end{document}
15 changes: 14 additions & 1 deletion articles.bib
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Expand Up @@ -141,6 +141,19 @@ @article{doi:10.1146/annurev-bioeng-082020-032402
doi = {10.1146/annurev-bioeng-082020-032402},
%URL = { https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-082020-032402},
}

@article{Mahamood2017,
title = {Scanning speed and powder flow rate influence on the properties of laser metal deposition of titanium alloy},
volume = {91},
ISSN = {1433-3015},
%url = {http://dx.doi.org/10.1007/s00170-016-9954-9},
DOI = {10.1007/s00170-016-9954-9},
number = {5–8},
journal = {The International Journal of Advanced Manufacturing Technology},
publisher = {Springer Science and Business Media LLC},
author = {Mahamood, Rasheedat M. and Akinlabi, Esther T.},
year = {2017},
month = jan,
pages = {2419–2426}
}


5 changes: 4 additions & 1 deletion chapters/anwendungen.tex
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Expand Up @@ -2,6 +2,7 @@
\documentclass[../main.tex]{subfiles}
\begin{document}
\section{Anwendungen in Forschung und Industrie}
\label{sec:anwendungen}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=1\textwidth]{search5}
Expand All @@ -19,6 +20,7 @@ \section{Anwendungen in Forschung und Industrie}
\subsection{Forschung}
Der Metall-3D-Druck erfreut sich in Forschungs- und Entwicklungs-Anwendungen sehr großer Beliebtheit, da durch solche Technologien eine schnelle \say{Iterationszeit}, also Zeit zwischen der Produktion von Designs und Ideen, ermöglicht wird. Zudem kann viel Material im Vergleich zu subtraktiver Produktion eingespart werden. Es ist nicht mehr nötig an die Umsetzbarkeit durch Fräßen, Bohren und Drehen zu denken, da mit einem Metall-3D-Drucker viel weniger Limitierungen existieren (es können vollständig verdeckte Kühlkanäle durch einen Teil gelegt werden, welche mit konventionellen Methoden unmöglich wären).
\subsubsection*{Medizinische Implantate}
\label{sec:medizin}
In der Medizin wird 3D-Druck hauptsächlich im Kontext der Erschaffung von Knochen-Implantaten erforscht. Mithilfe eines Computer-Tomographie-Scans wird ein Abbild des Knochens digital erschaffen, welches von einem \acrshort{am}-Ingenieur nach-bearbeitet und aufbereitet wird wie in \ref{img:medical} erkennbar ist. Viele Aspekte dieser Aufbereitung werden mit Computer-gestützten Algorithmen durchgeführt, um sie an die Form des Knochens anzupassen.\parencite{doi:10.1146/annurev-bioeng-082020-032402}

\begin{figure}[H]
Expand Down Expand Up @@ -50,7 +52,8 @@ \subsubsection{Reparatur und OOP-Ersatzteil-Produktion}
\subsubsection{Leichtbauindustrie}
Die Leichtbau-Industrie, insbesonders im Bereich der Luftfahrt, profitiert immens von den Möglichkeiten, die durch \acrfull{am} ermöglicht werden. Durch \acrfull{slm} sind präzise Teile (Brennstoff-Einspeisung o.Ä., siehe Abb. \ref{img:aero_1} (b, c, d)) möglich, welche ein kleineres Volumen beanspruchen, wobei \acrfull{lmd} für große Bauteile (das gesamte Triebwerksgehäuse, siehe Abb. \ref{img:aero_1}(f)) viele Vorteile mit sich bringt. Im Rahmen dieser additiven Prozesse sind auch die bereits erwähnten Kühlkanäle, wie sie in Abb. \ref{img:aero_1} (d) deutlich zu erkennen sind hervorzuheben, da dank diesen bisher undenkbare Designs ermöglicht werden.

Es wurden bereits im Jahr 2021 von der Firma \it{Zero One Space Technology Group Co.} mit einer suborbitalen Rakete mit einem Bauteil aus dem 3D-Drucker erfolgreiche Testflüge absolviert. Im März 2023 wurde von der \acrfull{nasa} zudem die Rakete \it{Terran 1} der Firma \it{Relativity Space}, welche vollständig aus 3D-gedruckten Teilen besteht, erfolgreich getestet, jedoch wurde aufgrund von Fehlfunktionen im Antriebssystem keine stabile Erdumlaufbahn erreicht.\parencite{terran1_umlaufbahn} Das Modell wurde zugunsten der größeren \it{Terran-R} daraufhin eingestellt.\parencite{terran_r}
Es wurden bereits im Jahr 2021 von der Firma \it{Zero One Space Technology Group Co.} mit einer suborbitalen Rakete mit einem Bauteil aus dem 3D-Drucker erfolgreiche Testflüge absolviert. Im März 2023 wurde zudem die Rakete \it{Terran 1} der Firma \it{Relativity Space}, welche vollständig aus 3D-gedruckten Teilen besteht, erfolgreich getestet, jedoch wurde aufgrund von Fehlfunktionen im Antriebssystem keine stabile Erdumlaufbahn erreicht.\parencite{terran1_umlaufbahn} Das Modell wurde zugunsten der größeren \it{Terran-R} daraufhin eingestellt.\parencite{terran_r}


\begin{figure}[H]
\centering
Expand Down
2 changes: 1 addition & 1 deletion chapters/einfuehrung.tex
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Expand Up @@ -2,7 +2,7 @@
\documentclass[../main.tex]{subfiles}
\begin{document}
\section{Einführung in den 3D-Druck}
Der 3D-Druck, auch bekannt als \acrfull{am} oder \gls{rp} ist ein bereits länger bekanntes Forschungs- und Entwicklungsfeld, da bereits im Jahr 1986 das erste Verfahren, \acrfull{sla} von Charles Hull entwickelt wurde.
Der 3D-Druck, auch bekannt als \acrfull{am} oder \it{Rapid Prototyping} ist ein bereits länger bekanntes Forschungs- und Entwicklungsfeld, da bereits im Jahr 1986 das erste Verfahren, \acrfull{sla} von Charles Hull entwickelt wurde.
Ein moderner Drucker dieses Verfahrens ist in Abbildung \ref{img:sla} zu sehen.
Die Druckplatte hebt sich dabei aus dem Becken mit UV-härtendem Harz heraus und druckt unten an die Platte Schichten auf durch einen Laser oder einen LCD-Bildschirm, welcher das Harz abhärtet.
Mit dieser Technologie sind Schichtdicken und XY-Auflösungen von unter \qty{35}{\micro\meter} möglich. Diese erlaubt für sehr feine Drucke in Bereichen wie Dentaltechnik und Schmuckform-Gießung. \parencite{FORMLABS_1}
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4 changes: 4 additions & 0 deletions chapters/fazit.tex
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@@ -0,0 +1,4 @@
%! TEX root = ../main.tex
\documentclass[../main.tex]{subfiles}
\begin{document}
\end{document}
32 changes: 29 additions & 3 deletions chapters/kapazitaeten.tex
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Expand Up @@ -3,8 +3,34 @@
\begin{document}
\section{Kapazitäten und Grenzen der Maschinen}
\subsection{Verwendbare Materialien}
Im Rahmen des \acrlong{slm}-Prozesses sind viele Materialien verarbeitbar, darunter Werkzeugstähle, Edelstähle, Titanium-Legierungen und Nickel-Legierungen. Jedes dieser Materialen findet andere Anwendungen, einige von welchen in Unterpunkt \ref{sec:anwendungen} genauer erläutert werden.\\ Tabelle \ref{table:materials} zeigt eine Übersicht der wichtigsten Materialien und deren Anwendungen. Die meisten dieser Materialien sind sowohl im \acrshort{slm} als auch im \acrshort{lmd}-Verfahren verwendbar, wenn auch teilweise in anderen Formen, wie Draht und Pulver.
\begin{table}[H]
\begin{tabularx}{\textwidth}{{>{\hsize=.6\hsize\linewidth=\hsize}X
>{\hsize=1.4\hsize\linewidth=\hsize}X}}
\hline
Eisen-Legierungen/Stähle & Werkzeuge (Gussformen) für Spritzguss-Verfahren, Schneidewerkzeuge, korrosive Umgebungen\\
\hline
Titan-Legieriungen & Medizinische Implantate (siehe Unterpunkt \ref{sec:medizin}) \\
\hline
Nickel-Legierungen & Hoch-Temperatur-Anwendungen (Triebwerke, Reaktoren, o.Ä.)\\
\hline
Kupfer-Legierungen & Elektroden, Werkzeuge, o.Ä.\\
\hline
Cobalt-Legierungen & Medizinische Anwendungen, Hoch-Temperatur-Anwendungen \\
\hline
Aluminium-Legierungen & Anwendungen mit geringen Gewichtsanforderungen, Hitzeleitfähigkeit\\
\hline
\end{tabularx}
\label{table:materials}
\caption{Materialien, welche im Metall-3D-Druck verwendet werden und ihre Anwendungen. \protect\parencite{nickel_1}}
\end{table}
\subsection{Geschwindigkeit}
\subsubsection*{Selective Laser Melting}
Im \acrshort{slm}-Verfahren ist die Geschwindigkeit oft durch die benötigte Hitze, die der Laser an einer Stelle liefern muss, um das Material dort aufzuschmelzen limitiert. Stärkere Laser erlauben theoretisch höhere Geschwindigkeiten, sind jedoch in der Realität unleistbar. Die meisten Drucker können aus diesem Grund mit verschiedenen Laser-Konfigurationen ausgestattet werden. Beispielsweise ist es mit einem \it{EOS M400 Series} möglich, einen einzigen \qty{1}{\kilo\watt} Laser zu erhalten für Materialien mit höherem Schmelzpunkt, oder vier \qty{400}{\watt} Laser für gleichzeitiges Drucken mehrerer einzelner Teile oder der Beschleunigung des Druckes von einem Teil, wobei dabei eher Materialien mit niedrigerem Schmelzpunkt verwendet werdenaufgrund des verringerten Energie-Outputs von jedem der einzelnen Laser.\parencite{eosm400,eosm400_4}
\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 Siebestation 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 aufweisst. Dies wird in Abb. \ref{img:ss_1} für einen Teil welcher dem Stressprofil von Abb. \ref{img:fh_1} folgt dargestellt.
Expand Down Expand Up @@ -34,13 +60,13 @@ \subsection{Auswirkungen von Orientierung und Platzierung}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{unsupported}
\ccaption{Geschwindigkeitsoptimierter Druck}{Eigener Screenshot \Gls{prusaslicer} 2.6.0}
\ccaption{Geschwindigkeitsoptimierter Druck}{Eigener Screenshot PrusaSlicer 2.6.0}
\label{img:unsupp_1}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{supported}
\ccaption{Massenproduktionsoptimierter Druck}{Eigener Screenshot \Gls{prusaslicer} 2.6.0}
\ccaption{Massenproduktionsoptimierter 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}
Expand All @@ -56,7 +82,7 @@ \subsection{Auswirkungen von Orientierung und Platzierung}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{t_pipe}
\ccaption{T-Rohr als LMD-druckbarer Teil}{Eigener Screenshot \Gls{prusaslicer} 2.6.0}
\ccaption{T-Rohr als LMD-druckbarer Teil}{Eigener Screenshot PrusaSlicer 2.6.0}
\label{img:t_pipe}
\end{figure}
\end{document}
9 changes: 1 addition & 8 deletions glossary.tex
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Expand Up @@ -6,15 +6,8 @@
\newacronym[description={Nicht mehr in Produktion (engl.)}]{oop}{OOP}{Out-Of-Production}
\newacronym[description={Anderer Begriff für SLM}]{pbf}{PBF}{Powder-Bed-Fusion}
\newacronym[description={Schweißraupen-basiertes Mehrachsiges 3D-Druck-Verfahren}]{lmd}{LMD}{Laser Metal Deposition}
\newacronym[description={Raumfahrtbehörde der Vereinigten Staaten von Amerika}]{nasa}{NASA}{National Aeronautics and Space Administration}
\newglossaryentry{rp}{name={Rapid Prototyping}, description={schnelle Herstellung eines Bauteils oder einer Baugruppe nach 3D-CAD-Daten}}
\newglossaryentry{prusaslicer}{name={PrusaSlicer}, description={Slicer für FDM-Drucker welcher im Rahmen dieser VWA zur visuellen Darstellung genutzt wurde}}
\newglossaryentry{layerline}{
name={Layer-line},
plural={Layer-lines},
description={erkennbare Schichtlinien}}
\newacronym[description={3D-Druck-Verfahren mit UV-härtendem Harz}]{sla}{SLA}{Stereolithographie}
\newacronym[description={3D-Druck-Verfahren mit durch einen Druckkopf ausgepresstem Thermoplastischen Polymeren}]{fdm}{FDM}{Fused Deposition Modeling}
\newacronym[description={Überbegriff des 3D-Drucks}]{am}{AM}{Additive Manufacturing}
\newacronym[description={Beschichtungsverfahren für die Herstellung mikroskopisch dünner, homogener mit Plasma}]{pacvd}{PACVD}{Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition}
\newacronym[description={Steuerung von Maschinen über Computer-Programme}]{cnc}{CNC}{Computerized Numerical Control}
\newacronym[description={3D-Druck-Verfahren mit UV-härtendem Harz}]{sla}{SLA}{Stereolithographie}
2 changes: 2 additions & 0 deletions main.lot
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\babel@toc {german}{}\relax
\contentsline {table}{\numberline {1}{\ignorespaces Materialien, welche im Metall-3D-Druck verwendet werden und ihre Anwendungen. \parencite {nickel_1}}}{9}{table.1}%
5 changes: 4 additions & 1 deletion main.tex
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\usepackage[utf8]{inputenc}
Expand Down Expand Up @@ -67,7 +68,6 @@
\subfile{abstract}
\pagebreak
\subfile{vorwort}

\pagebreak
\pagenumbering{arabic}
\singlespacing
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\subfile{chapters/lmd}
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\printbibliography[nottype=online, heading=bibintoc]
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\printnoidxglossary[sort=use, type=\acronymtype]
\printnoidxglossary[sort=use]
\end{document}
15 changes: 11 additions & 4 deletions vorwort.tex
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\begin{document}
\setcounter{secnumdepth}{-2} % no numbers
\section{Vorwort}
\setcounter{secnumdepth}{3} % numbering down to subsections
\blindtext
\section*{Vorwort}
Zu Beginn möchte ich mich bei Mag. Dr. Karlheinz Kockert bedanken, da ich durch seinen \say{Anstoß} ein Praktikum an der Fachhochschule Wels angeboten bekommen habe und auch annahm. In diesem Praktikum im Sommer 2022 konnte ich zum ersten Mal einen Blick in das \it{Center of Smart Manufacturing (CSM)} der Fachhochschule Wels werfen, in welchem ich dann auch meine Vorwissenschaftliche Arbeit verfassen würde.

Zudem möchte ich mich bei FH-Prof. Dipl.-Ing. Dr.tech. Daniel Heim und Manuel Schachinger BSc. dafür bedanken, dass sie besagtes Praktikum im Studiengang Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik anbieten, welches in beiden Jahren, in denen ich daran teilnehmen durfte, eine Bereicherung für alle Beteiligten war.

Des Weiteren möchte ich mich herzlichst bei Ing. Walter Kaindl und Günter Laimer für die Begleitung des zweiten Praktikums bedanken. Sie nahmen mich für 4 Wochen in ihrem Arbeitsalltag auf und zeigten mir wie die Maschinen funktionierten, mit welchen sich meine VWA beschäftigen sollte, sowie auch den ganzen Weg von einer Idee bis zum fertigen Metallteil in meiner Hand.

Besonderen Dank möchte ich meiner Familie und meiner Freundin aussprechen, für die viele Unterstützung bei diesem Projekt.
\\\\
Im Rahmen der besseren Leserlichkeit wird in dieser Vorwissenschaftlichen Arbeit das generische Maskulinum verwendet.

\end{document}
21 changes: 19 additions & 2 deletions web.bib
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Expand Up @@ -101,6 +101,23 @@ @online{terran_r
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