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Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik2021-02-15_Krohmer_Untersuchung der Schutzgasströmung über der Bauplatte in L-PBF-Anlagen

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Untersuchung der Schutzgasströmung über der Bauplatte in L-PBF-Anlagen

Abschlussarbeit (Master oder Diplom) im Bereich Additive Fertigung / 3D-Druck am Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Berlin

Additive Fertigung (3D-Druck) eröffnet neue Gestaltungsfreiräume in der Produktion und ist eine weltweite Zukunftsbranche mit jährlich zweistelligen Wachstumszahlen. Innerhalb der Abschlussarbeit wird das Laser Powder Bed Fusion-Verfahren (L-PBF) betrachtet, bei dem metallische Bauteile mit Hilfe eines Lasers oder mehrerer Laser aus Pulverwerkstoffen aufgebaut werden.

Die Schutzgasatmosphäre und die dazugehörige Schutzgasströmung spielen eine ausschlaggebende Rolle im L-PBF Prozess. Zum einen verhindert die Schutzgasatmosphäre die Oxidation des Metalls. Zum anderen trägt die Schutzgasströmung dazu bei, den Schmelzbadauswurf, wie eine, bestehend aus Schweißrauch und -spritzern, aus dem Bearbeitungsfeld abzuführen. Diese Wolke kann unerwünscht Laserenergie absorbieren, was eine Defokussierung des Lasers zur Folge hat. Hierdurch korreliert die Ausprägung der Wolke unmittelbar mit der Qualität des Schweißergebnisses und somit mit der Prozessqualität.

Ziel der Arbeit: Schaffung eines validierten Modells auf Basis eines verfügbaren Anlagensystems mit quasi-laminarer Strömung als Grundlage für eine Optimierung der Strömung über ein Baufeld von 600x600mm

Hierfür eignet sich eine numerisch- und/ oder simulationsgestützte Betrachtung der unterschiedlichen Strömungskonzepte und Geschwindigkeitsverteilungen über der Substratplatte. Mittels des generierten Wissens soll ein Modell für die Schutzgasströmung erzeugt und mittels eines Messsystems validiert werden. Die Arbeit umfasst unter anderem folgende Aufgaben:

  1. Ermittlung des „Stand der Technik“ bzgl. L-PBF, Simulation und Messsysteme von Schutzgasströmung
  2. Auswahl und Bewertung einer Simulationssoftware
  3. Auswahl des Messsystems
  4. Aufbau eines CFD Simulationsmodells:

    • Aufbau eines Modells des Bauraumes
    • Aufbau der Gasströmungssimulation

  5. Validierung des Modells mittels Messsystem

    • Durchführung der Versuche an der L-PBF Anlage
    • Integration des Messsystems
    • Auswertung der Ergebnisse

  6. Anpassung des Modells     
Schutzgasströmung zur Abfuhr von Rauchgasen und Metallspritzern aus der Prozesszone
Lupe

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