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Der Einsatz von Industrierobotern in der Additiven Fertigung erhöht die nutzbaren Freiheitsgrade und das verfügbare Bauvolumen gegenüber konventionellen additiven Fertigungssystemen deutlich, sodass der Prozess auch auf gekrümmten Flächen ausführbar ist und größere Bauteile gefertigt werden können. Aus dem Vergleich zwischen der Genauigkeit moderner Industrieroboter und den üblichen Schichthöhen des Fused Deposition Modelings wird deutlich, dass Prozessfehler aus der Ungenauigkeit des Industrieroboters resultieren können. Im Rahmen dieser Dissertation wird daher eine Methode zur Online-Korrektur des robotergeführten Fused Deposition Modelings entwickelt. Dazu werden zunächst die Grundlagen dieses Prozesses, der Flexibilisierung der Additiven Fertigung durch Industrieroboter und des robotergeführten Fused Deposition Modelings aufgearbeitet und Anforderungen, die es zu berücksichtigen gilt, abgeleitet. Weiter werden veröffentlichte Methoden zur Überwachung des Fused Deposition Modelings und zur Korrektur robotergeführter additiver Fertigungsprozesse betrachtet und deren Anwendbarkeit auf die untersuchte Problemstellung überprüft. Aufbauend auf den Grundlagen und den betrachteten Methoden wird die Methode zur Online-Korrektur des robotergeführten Fused Deposition Modelings entwickelt. Diese besteht aus den drei Schritten: Erfassung von Messdaten, Berechnung des Düsenabstands sowie Identifikation und Korrektur von Abweichungen. Zur Erfassung des laufenden Prozesses werden zwei Laserlinientriangulationssensoren eingesetzt, die seitlich neben der Druckdüse am Flansch des Roboters montiert sind. In den erfassten Messdaten, die anhand der Bewegungsrichtung des Industrieroboters reduziert werden, wird aus dem Oberflächenprofil des Bauteils und der Intensität der reflektierten Laserstrahlen die Kante der aktuellen Schicht lokalisiert. Aus den in den Messdaten beider Sensoren lokalisierten Druckschichtkanten wird auf den aktuellen Abstand der Druckdüse zum zu bedruckenden Untergrund geschlossen. Abweichungen werden im Abgleich mit den Planungsdaten des Prozesses erkannt und mithilfe der Roboterführung korrigiert. Die entwickelte Methode wird auf dreiValidierungsexperimente angewendet und deren Eignung zur Online-Korrektur des robotergeführten Fused Deposition Modelings anhand der Bewertung der erzielten Ergebnisse mittels der gestellten Anforderungen festgestellt.

Im Kontext der Umweltschädigung rücken Faktoren wie Nachhaltigkeit, biologische Abbaubarkeit, CO2-Neutralität und grundsätzlich auch die Vermeidung von petrochemisch erzeugten Kunststoffen zunehmend in den Fokus der Klimapolitik. Besonders für Einsatzmaterialien mit kurzen Lebenszyklen, welche sich überwiegend in der Verpackungsbranche wiederfinden, müssen daher biologische Alternativen gefunden werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines neuartigen Extrusionssystems für ein stärkebasiertes und geschäumtes Ausgangsmaterial vorgestellt. Mit diesem Extrusionssystem wird ein additiver Fertigungsprozess auf Basis des FLM-Verfahrens realisiert. Auf diese Weise sollen für expandierte Stärkechips, welche bereits als nachhaltige Alternative für Füllmaterial im Verpackungs-bereich etabliert sind, weitere Einsatzgebiete eröffnet werden. Im Rahmen der Arbeit werden zunächst das Prinzip der Strangbildung und -auftragung mit dem expandierten Stärkematerial vorgestellt sowie der anlagentechnische Aufbau von Extrusionseinheit und Bewegungsapparat beschrieben. Das bestehende System wird auf seine Leistungsfähigkeit hin untersucht und es wird eine geeignete Systemeinstellung für die kontinuierliche Strangextrusion vorgenommen. Anhand verschiedener Druckszenarien werden die Prozesseigenschaften und -grenzen analysiert und entsprechende Gestaltungsregeln für einen erfolgreichen Druckprozess abgeleitet. Abschließend wird die erfolgreiche Produktion eines Demonstrationsteils dokumentiert, bei welcher diese Gestaltungsregeln berücksichtigt werden.

In dieser Bachelorarbeit beschäftigt sich der Autor mit der Verwendung von Verbundwerkstoffen in der additiven Fertigung, insbesondere der Nutzung von einem thermoplastischen-Perlitsand-Verbundwerkstoff, der im Rahmen eines Industrieprojektes der FH-Joanneum erstellt wurde. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die mechanischen, physikalischen Eigenschaften des thermoplastischen-Perlitsand-Verbundwerkstoffes mit Zugbeanspruchungsversuchen zu ermitteln. Dabei werden die Ergebnisse analysiert und daraus Erkenntnisse ermittelt in Hinsicht auf die Auswirkung der Zusammensetzung von Polylactid und Perlitsand im Verhältnis von 6 und 14% Masseanteil.Um die Forschungsfrage zu beantworten, werden eine Literaturrecherche und praktische Versuche durchgeführt. Dazu werden die Grundbegriffe der additiven Fertigung definiert und von der subtrahierenden Fertigung abgegrenzt. Im weiteren Verlauf werden die Ein-satzgebiete und die Einteilungsformen der additiven Fertigung näher beschrieben. An-schließend wird die Relevanz der Kunststoffe mit den Zusatzstoffen, deren Verarbeitung mittels Extruder näher erläutert und das Potenzial der Verbundwerkstoffe anhand der Faserverbundwerkstoffe dargelegt. Des Weiteren wird die Probenherstellung, die verwendeten Materialien und der Zugbeanspruchungsversuch erörtert. Daraus resultieren die mechanisch, physikalischen Ergebnisse.Durch die Verwendung der mechanischen, physikalischen Ergebnisse wird ein Teilbereich der Erforschung des thermoplastischen-Perlitsand-Verbundwerkstoffes abgedeckt und die Basis für weitere Erforschungen des Materials ergänzt. In this bachelor thesis, the author deals with the use of composite materials in additive manufacturing, in particular the use of a thermoplastic perlite sand composite material, which was created as part of an industrial project at the FH-Joanneum. The aim of this work is to determine the mechanical, physical properties of the thermoplastic perlite sand composite material with tensile stress tests. The results are analysed, and findings are de-termined regarding the effect of the composition of polylactide and pearlite sand in the ratio of 6 and 14% by mass.To answer the research question, a literature review and practical tests are carried out. For this purpose, the basic terms of additive manufacturing are defined and distinguished from subtractive manufacturing. In the following, the areas of application and the classification forms of additive manufacturing are described in more detail. Subsequently, the relevance of plastics with additives and their processing by means of extruders is explained in more detail, and the potential of composite materials is presented based on fibre composites. Fur-thermore, the sample production, the materials used, and the tensile stress test are dis-cussed. This results in the mechanical, physical outcomes.By using the mechanical, physical results, a sub-area of research into the thermoplastic per-lite sand composite material is covered and the basis for further research into the material is supplemented. Verfasser: Daniel Dupke Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Bachelorarbeit FH JOANNEUM 2022

Additive Fertigungsverfahren erlauben große Designfreiheiten, die durch Design for Additive Manufacturing (DfAM) ausgeschöpft werden können. An AM-Leichtbauteile werden besonders hohe Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen gestellt. Hierfür eignen sich besonders Faser-Kunststoff-Verbunde. Mit dem Fused Layer Modelling-(FLM-)Verfahren lässt sich die ausgeprägte Anisotropie der Faser-Kunststoff-Verbunde im Vergleich zu anderen AM-Verfahren sehr zielgerichtet einsetzen. In dieser Dissertation wird daher ein strukturierter DfAM-Ansatz zur Auslegung kurzfaserverstärkter FLM-Leichtbauteile vorgestellt. Dieser berücksichtigt die orthotropen Materialeigenschaften zunächst durch eine Baurichtungsoptimierung, die den Kraftfluss im Bauteil möglichst planar in der Druckplattformebene führt. Anschließend folgt eine Topologieoptimierung mit orthotropem Materialmodell, die sowohl Außengestalt als auch Infill simultan optimiert. Eine Extrusionspfadgenerierung überführt Ergebnisse dann in druckbare Bauteile. Eine strukturmechanische FLM-Simulation erlaubt den Vergleich verschiedener FLM-Bauteile mit verschiedenen Infill-Mustern. Zur Demonstration wird ein Tragwerksknoten unter zwei Lastfällen mit dem neuen Ansatz optimiert. Die entstehende Geometrie; dieselbe Geometrie, jedoch mit anderen Infill-Mustern; und eine konventionell ausgelegte Variante werden mittels FLM-Simulation verglichen. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Steifigkeitsgewinn des neuen Ansatzes gegenüber konventionellen Alternativen, der Produktentwickelnde zudem strukturiert durch den DfAM-Prozess mit seinen herausfordernden Designfreiheiten führt., Additive Manufacturing (AM) offers great design freedom to be exploited by Design for Additive Manufacturing (DfAM). However, AM components for structural lightweight applications are subject to particularly high stiffness and strength requirements, which necessitate special material, process, and design engineering measures. Fibre-reinforced plastics (FRP) are especially suitable due to their high stiffness and strength. Moreover, the Fused Layer Modelling (FLM) process allows to exploit the pronounced anisotropy of FRP effectively. This thesis therefore presents a DfAM approach for short-fiber-reinforced lightweight structures. It considers the orthotropic properties of FLM components by build-up direction optimisation to keep the force flow as parallel to the printing platform as possible – and thus, to bypass low stiffness and strength between layers. This step is followed by a topology optimisation with orthotropic material model, which simultaneously optimises both the outer shape and in-plane projected inner material orientations. Subsequent extrusion path generation transforms the optimisation results into printable components. Finally, a simulation approach is presented to compare different FLM components with various infill patterns. For demonstration, a truss node is optimised under two load cases. The resulting geometry; the same geometry but with different infill patterns; and a conventionally designed variant are compared using the simulation approach. Results show a considerable stiffness gain of the new approach offering structured guidance for product developers., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 393

Die Additive Fertigung hat sich ausgehend von einem Prototyping Verfahren hin zu einem serienfähigen Fertigungsverfahren entwickelt, das von der Automobilbranche bis hin zur Luftfahrtindustrie vielfältige Geschäftsfelder bedient. Im Gegensatz zu den subtraktiven Verfahren wird die Bauteilgeometrie bei der additiven Fertigung durch das geometrisch definierte Auf- und Aneinanderfügen von einzelnen Volumenelementen aus der gasförmigen, flüssigen oder festen Phase hergestellt. Das metallische oder polymere Ausgangsmaterial liegt dabei größtenteils in flüssiger, pulverförmiger oder strangförmiger Form vor und wird durch Energieeinwirkung vernetzt, versintert oder verschmolzen. Einerseits bietet die additive Fertigung aufgrund der werkzeuglosen Herstellung, den Möglichkeiten der Funktionsintegration, der Kundenindividualisierung, des Leichtbaupotenzials, der höheren Geometrie- und Designfreiheit sowie den von der Bauteilkomplexität und Stückzahl weitgehend unabhängigen Kosten viele Vorteile. Andererseits hindern bisher sehr hohe Materialkosten, unzureichende mechanische und flammwidrige Bauteileigenschaften mit ausgeprägter Abhängigkeit vom Fertigungsprozess, ein erhöhtes Anisotropieverhalten, fehlende Standardisierung- und Zertifizierungsmodalitäten, hohe manuelle Aufwände und eine diskontinuierliche digitale Prozesskette die industrielle Durchsetzung und flächendeckende Implementierung dieser Technologie. Anhand der Materialextrusion werden gemäß dem Stand der Technik die Potenziale gegenüber einem serienfähigen und industriellen Zielprozess aufgedeckt und quantifiziert. Als Reaktion auf die vergleichsweise niedrigen intra- und interlaminaren Bauteileigenschaften und den unzureichenden Flammschutz werden basierend auf zertifizierten Standardgranulaten und konventionellen Faserhalbzeugen Filamente entwickelt und hergestellt, die aufgrund ihrer eingearbeiteten Kurz- oder Endlosfaserverstärkung die Bedürfnisse eines industriellen Einsatzzweckes erfüllen. Die Herstellung der Filamente auf Basis von Faserbündeln und Hybridgarnen erfolgt durch die Erweiterung und Modifikation einer Druckummantelungsanlage. Die Filamente werden mit Flammschutzmitteln additiviert und bei einer Prüfkörperstärke von 1,0 mm nach UL‑94 V0 qualifiziert, um auch den sicherheitskritischen Einsatz in der Bahnbranche zu ermöglichen. Für die Verarbeitung der Filamente wird auf der Grundlage industrieller Automatisierungskomponenten eine skalierbare 5‑achsige Maschine konstruiert und aufgebaut, die ihre Prozess- und Bahndaten aus einer durchgängigen und digitalen Prozesskette bezieht. Die Entwicklung und Implementierung der integrierten CAx-Prozesskette mitsamt dem Postprozessor fußt auf den bewährten Möglichkeiten subtraktiver Technologien und wird für die Belange der Additiven Fertigung spezifisch programmiert. Anhand der Versuchs- und Messdaten von flammgeschützten und teils glasfaserverstärkten Polyamidprüfkörpern, die nach DIN EN ISO 527‑2 Typ 1A hergestellt werden, wird in Abhängigkeit der Fertigungsparameter bezogen auf die Vorzugsrichtung gezeigt, dass die Spannweite der mittleren Elastizitätsmoduln bis zu 39 % und die der mittleren Zugfestigkeiten bis zu 56 % beträgt. Außerdem wird nachgewiesen, dass mit nominal 20 % Massenanteil Kurzglasfasern je nach flammgeschützter Polyamidmatrix die mittlere Zugfestigkeit um bis zu 33 % und der mittlere Elastizitätsmodul um bis zu 98 % gesteigert wird. Der maximale, mittlere Elastizitätsmodul in Höhe von 12,6 GPa und die maximale, mittlere Zugfestigkeit in Höhe von 146 MPa wird bei Polyamid 6 gemessen, das mit nominal 20 % Massenanteil Kurzcarbonfasern verstärkt ist. Bei den eigens entwickelten Endlosglasfaserfilamenten wird bei einem Faservolumenanteil von ca. 22 % ein Elastizitätsmodul in Höhe von 17,2 GPa und eine Festigkeit von 244 MPa gemessen, wodurch gegenüber den jeweils berechneten Werten vor allem bei der Festigkeit deutliche Einbußen festgestellt werden. Die daraus hergestellten Prüfkörper weisen einen mittleren Elastizitätsmodul in Höhe von 10,9 GPa und eine mittlere Festigkeit von 134 MPa auf, weshalb infolge des additiven Fertigungsprozesses von zusätzlichen, verarbeitungsspezifischen Defekten ausgegangen wird. Die intralaminaren mechanischen Eigenschaften werden durch die Kurz- und Endlosfaserverstärkung trotz der eingearbeiteten Flammschutzmittel und der dadurch induzierten Porenbildung maßgeblich verbessert. In Kombination mit der realisierten CAx-Prozesskette wird die entwickelte Materialbasis für eine Topologieoptimierung eingesetzt, wodurch die Masse eines Demonstrators gegenüber der unverstärkten Ausgangsgeometrie in Summe um 59 % reduziert wird. Um auch den Anforderungen einer verringerten Anisotropie infolge einer erhöhten interlaminaren Adhäsion gerecht zu werden, wird ein IR‑Diodenlaser in das Maschinenkonzept integriert. Aufgrund seines hochenergetischen, lokalen Wärmeeintrags ist dieser dazu geeignet, das Substrat unmittelbar vor beziehungsweise unter dem Extrudat vorzuwärmen. Die interlaminare Festigkeit kann durch den Einsatz des Lasers bei unverstärkten, teilkristallinen Thermoplasten im Gegensatz zu amorphen Thermoplasten nahezu auf die intralaminare Zugfestigkeit gesteigert werden, wodurch ein quasi-isotropes Bauteilverhalten resultiert. Die mittlere, maximal gemessene Zugfestigkeit liegt infolge der Laservorwärmung im Fall von unverstärktem Polyamid 6 bei 58 MPa und damit um 79 % höher als bei Prüfkörpern, die als Referenz mit optimalen Fertigungsparametern auf einem Ultimaker S5 gefertigt werden. Auch bei kommerziell verfügbarem Polyamid 6.66 wird infolge der Laservorwärmung mit einer Standardabweichung von unter 3 MPa eine 55‑prozentige Erhöhung der interlaminaren Zugfestigkeit von 40 MPa auf 62 MPa nachgewiesen. Die Wirtschaftlichkeit der Kurzfaserverstärkung, ausgedrückt durch die Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit pro €/kg, bewegt sich auf Grundlage der unverbindlichen Preisempfehlung der Hersteller bei den nicht flammgeschützten Werkstoffen in Bezug auf den Elastizitätsmodul zwischen 60–141 MPa/(€/kg) und bezüglich der Zugfestigkeit zwischen 0,65–1,58 MPa/(€/kg). In der technisch-wirtschaftlichen Gesamtbetrachtung bildet ein Polyamid 6 mit nominal 20 % Massenanteil Kurzcarbonfasern den besten Kompromiss aus Leistungsfähigkeit und Kosten. Die Wirtschaftlichkeit der flammgeschützten Werkstoffe liegt in Bezug auf den Elastizitätsmodul zwischen 25–46 MPa/(€/kg) und bezüglich der Zugfestigkeit zwischen 0,37–0,53 MPa/(€/kg), womit sie generell niedriger als die Wirtschaftlichkeit der nicht flammgeschützten Polyamide kursiert. Die vorteilhafteste Wirtschaftlichkeit unter Einhaltung des erforderlichen Flammschutzes wird durch ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid 6.66 erzielt. In Anbetracht dessen, dass die Automobilindustrie den wirtschaftlichen Großserieneinsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bei Materialpreisen von unter 10 €/kg sieht, scheinen die aktuellen, kommerziellen Materialpreise von ca. 1965 €/kg für ein Endloscarbonfaserfilament des Markführers Markforged selbst bei Annahme niedriger Fasermassenanteile unwirtschaftlich. Im direkten Vergleich von endlosglasfaserverstärkten Filamenten mit annähernd gleichem Faservolumenanteil resultiert zwischen den Materialkosten der Eigenproduktion und den kommerziellen Verkaufspreisen ein Faktor von 38, der selbst nach Abzug der Fertigungs-, Verwaltungs- und Vertriebsgemeinkosten Gestaltungsfreiraum für großzügige Gewinnmargen bietet. Die Wirtschaftlichkeit der kommerziellen Filamente weist generell eine hohe Spannweite auf und wird durch den Einsatz von Standardgranulaten sowie leistungssteigernden Fasern maximiert. Das Gesamtniveau der mechanischen und flammwidrigen Eigenschaften ist durch die in dieser Arbeit erforschten und realisierten Verbesserungen auf der Material‑, Maschinen‑ und Softwareebene nicht nur generell höher, sondern vor allem reproduzierbarer und zuverlässiger, wodurch ein leistungsfähiger, durchgängiger und gesamtheitlicher Fertigungsprozess resultiert, der auch unter wirtschaftlichen Aspekten konkurrenzfähig ist., Starting from a prototyping process, Additive Manufacturing has developed into a production-ready manufacturing process that serves a wide range of business areas from the automotive to the aviation industry. In contrast to the subtractive processes, the component geometry in additive manufacturing is produced by the geometrically defined addition and joining of individual volume elements from the gaseous, liquid or solid phase. The metallic or polymeric raw material is mostly available in liquid, powder or strand form and is cross-linked, sintered or melted by the application of energy. On the one hand, additive manufacturing offers many advantages due to tool-free production, the possibilities of function integration, customer individualization, lightweight construction potential, greater freedom in geometry and design as well as costs that are largely independent of component complexity and lot sizes. On the other hand, very high material costs, inadequate mechanical and flame-retardant component properties with distinct dependence on the manufacturing process, increased anisotropy, lack of standardization and certification modalities, high manual effort and a discontinuous digital process chain have so far hindered the industrial implementation of this technology. By means of material extrusion, the potentials compared to an industrial target process are identified and quantified according to the state of the art. As a reaction to the comparatively low intra- and interlaminar component properties and the insufficient flame retardancy, filaments are developed and produced based on certified standard granules and conventional semi-finished fiber products. The production of the filaments based on fiber bundles and commingled hybrid yarns is done by the extension and modification of a pressured wiring coating and impregnation system. The filaments are compounded with flame retardants and qualified according to UL 94 V0 at a test specimen thickness of 1.0 mm to enable safety-critical use in the railroad industry. For the processing of the filaments, a scalable, five-axis machine will be designed and built on the basis of industrial automation components, which obtains its process and toolpath data from a continuous and digital process chain. The development and implementation of the integrated CAx process chain including the post-processor is based on the proven possibilities of subtractive technologies and is specifically programmed for the needs of additive manufacturing. Based on the test and measurement data of flame-retardant and partly glass fiber reinforced polyamide test specimens, which are produced according to DIN EN ISO 527‑2 type 1A, it is shown that the span of the average modulus of elasticity is up to 39 % and that of the average tensile strength is up to 56 %, depending on the production parameters in relation to the preferred direction. In addition, it is shown that with a nominal 20 % mass share of short glass fibers, depending on the flame-retardant polyamide matrix, the average tensile strength is increased by up to 33 % and the average modulus of elasticity by up to 98 %. The maximum average modulus of elasticity of 12.6 GPa and the maximum average tensile strength of 146 MPa are measured for polyamide 6 reinforced with a nominal 20 % mass fraction of short carbon fibers. For the specially developed continuous glass fiber filaments, a modulus of elasticity of 17.2 GPa and a strength of 244 MPa are measured at a fiber volume fraction of approximately 22 %. The test specimens produced from this material have an average modulus of elasticity of 10.9 GPa and an average strength of 134 MPa, which is why additional, process-specific defects are assumed as a result of the additive manufacturing process itself. The intralaminar mechanical properties are significantly improved by the short and continuous fiber reinforcement despite the incorporated flame retardants and the resulting pore formation. In combination with the implemented CAx process chain, the developed material base is used for topology optimization, which reduces the mass of a demonstrator by a total of 59 % compared to the unreinforced initial geometry. In order to also meet the requirements of reduced anisotropy due to increased interlaminar adhesion, an IR diode laser is integrated into the machine concept. Due to its high-energy, locally heat input, it is suitable for preheating the substrate immediately before or below the extrudate. The interlaminar strength can be increased to almost the intralaminar tensile strength by using the laser for unreinforced, semi-crystalline thermoplastics, in contrast to amorphous thermoplastics, resulting in a quasi-isotropic component behavior. As a result of the laser preheating, the average, maximum measured tensile strength is 58 MPa in the case of unreinforced polyamide 6, which is 79 % higher than for test specimens produced on an Ultimaker S5 as a reference with optimum production parameters. Even with commercially available polyamide 6.66, a 55 % increase in interlaminar tensile strength from 40 MPa to 62 MPa is demonstrated as a result of laser preheating with a standard deviation of less than 3 MPa. Based on the manufacturers' recommended retail price, the economic efficiency of short fiber reinforcement, expressed in terms of stiffness or strength per €/kg, is between 60–141 MPa/(€/kg) for the elastic modulus and 0.65–1.58 MPa/(€/kg) for the tensile strength of non-flame-retardant materials. From a technical and economic point of view, a polyamide 6 with a nominal 20 % mass share of short carbon fibers represents the best compromise between performance and costs. The economic efficiency of flame-retardant materials lies between 25–46 MPa/(€/kg) in terms of modulus of elasticity and 0.37–0.53 MPa/(€/kg) in terms of tensile strength, which is generally lower than that of non-flame-retardant polyamides. The most advantageous economy while maintaining the required flame retardancy is achieved by a short glass fiber reinforced polyamide 6.66. Considering the fact that the automotive industry sees the economic large-scale production of carbon fiber reinforced plastics at material prices of less than 10 €/kg, the current commercial material prices of approximately 1965 €/kg for a continuous carbon fiber filament of the market leader Markforged seem uneconomical even if low fiber mass proportions are assumed. In a direct comparison of continuous glass fiber reinforced filaments with approximately the same fiber volume content, a factor of 38 results between the material costs of in-house production and the commercial sales prices, which even after deduction of the manufacturing, administrative and sales overheads offers scope for generous profit margins. The economic efficiency of commercial filaments generally has a high span width and is maximized by the use of standard granules and performance enhancing fibers. The overall level of mechanical and flame-retardant properties is not only generally higher, but above all more reproducible and reliable due to the improvements on the material, machine and software level, which have been researched and realized in this work.

Stützkonstruktionen im FLM-Verfahren besitzen mehrere Problemstellungen, die im Rahmen dieser Arbeit durch einen neuartigen Ansatz gelöst werden. Zum einen existiert keine einheitliche Lösung für die verschiedenen, als Baumaterial eingesetzten, Thermoplaste. Besonders auffallend ist dabei die durch ausgeprägte Schrumpfung und starken Lagenzusammenhalt charakterisierte Gruppe der teilkristallinen Thermoplaste, für die nur unzureichende oder gar keine Optionen zur Abstützung existieren. Zum anderen reduziert der häufige Wechsel zwischen verschiedenen Bauplatten und Haftvermittlern die Flexibilität des Verfahrens und steigert die Kosten. Es muss stets ein passendes Stütz- zum gewählten Baumaterial vorgehalten, konditioniert und eingestellt sein. Ein vereinheitlichtes Konzept für Stützkonstruktionen, welches weitestgehend unabhängig vom eingesetzten Baumaterial ist, erscheint zur Weiterwicklung des Verfahrens notwendig und sinnvoll. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine formschlüssig wirkende Stützkonstruktion auf Basis einer Mikroverzahnung entwickelt und erprobt. Diese fixiert das Bauteil durch eine Vielzahl kleiner Formschlusselemente und erlaubt gleichzeitig eine vollflächige Abstützung der Oberfläche. Bei diesem Verfahren ist kein Stoffschluss zwischen den eingesetzten Thermoplasten erforderlich, sodass diese weitestgehend unabhängig voneinander gewählt werden können. Im Zuge der Konzeptionierung werden verschiedene Ansätze betrachtet und bewertet, von denen letztlich ein druckgeprägtes Lösungskonzept gewählt wird. Der Aufbau der Verzahnung erfolgt dabei durch den Druck der Schmelze, der diese in das Gitter der Stützkonstruktion fließen und die formschlüssigen Elemente ausprägen lässt. Im Rahmen der Herleitung werden die relevanten Einflussgrößen sowie die zu erwartenden Zusammenhänge qualitativ erarbeitet und mit Kennwerten existierender additiver Fertigungssysteme verglichen. Um die identifizierten Zusammenhänge durch ein anwendungsnahes Modell zu stützen, werden empirische Versuche mit Mitteln der statistischen Versuchsplanung durchgeführt. Nach der Charakterisierung des Versuchssystems werden zwei Versuchspläne ausgearbeitet, welche die Auswirkungen der Einflussgrößen auf jeweils flache und steile Überhangwinkel fokussieren. Durch eine Zugprüfung der auf diesen Plänen basierenden additiv gefertigten Prüfkörpern wird die Haltekraft zwischen den Probenhälften ermittelt. Eine Bewertung der Oberflächenqualität erfolgt im Anschluss. Für beide Fälle werden Modelle erarbeitet, die eine hohe Anpassungsgüte besitzen. Die gefundenen Zusammenhänge werden Anhand von Demonstratoren aus Polypropylen (PP) als teilkristallines Baumaterial und mit Glykol modifiziertem Polyethylenterephthalat (PETG) sowie Polyvinylalkohol (PVA) als Stützmaterialien validiert. An diesen Druckobjekten werden auch die manuelle Entfernung der Stützkonstruktion und das Auflösen in einem Auswaschsystem exemplarisch vorgeführt. Neben dem Einsatz als lösbare Verbindung wird auch die Eignung der Mikroverzahnung für dauerhafte formschlüssige Verbindungen im FLM-Verfahren anhand einer zusätzlichen Versuchsreihe nachgewiesen. Neben der theoretischen Herleitung des treibenden Mechanismus der Mikroverzahnung wird auch der praktische Einsatz des Verfahrens mit konventionellen additiven Fertigungssystemen beschrieben und nachgewiesen. So stehen die formschlüssigen Stützkonstruktionen einem breiten Anwenderkreis unmittelbar zur Verfügung., Support structures in the FLM process have several drawbacks which are solved in this work by a novel approach. On the one hand, there is no uniform solution for the different thermoplastics used as construction materials. Particularly notable is the group of semi-crystalline thermoplastics characterized by a pronounced shrinkage and a strong bonding between layers, for which only insufficient or no options for support exist. On the other hand, the frequent change between different build plates and bonding agents reduces the flexibility of the process and increases costs. A suitable support for the selected construction material must always be kept on hand, conditioned and adjusted. A standardized concept for support structures, which is largely independent of the construction material used, appears necessary and useful for the further development of the process. In this work, an interlocking support structure based on microserration is developed and tested. This fixes the component by means of a large number of small interlocking elements and at the same time allows the surface to be supported over its entire area. This process does not require a substance-to-substance bond between the thermoplastics used, so that they can be selected largely independently of one another. In the course of the conceptual design, various approaches are considered and evaluated, from which a pressure-formed solution concept is ultimately selected. The interlocking is built up by the pressure of the melt, which causes it to flow into the grid of the supporting structure and form the interlocking elements. In the course of the derivation, the relevant influencing variables and the expected interrelationships are qualitatively worked out and compared with characteristic values of existing additive manufacturing systems. In order to support the identified relationships by an application-oriented model, empirical experiments are carried out by statistical experimental design (DoE). After characterization of the test system, two experimental designs are developed which focus on the effects of the influencing variables on flat and steep overhang angles, respectively. Tensile testing of the additively manufactured test specimens based on these plans is used to determine the holding force between the specimen halves. An evaluation of the surface quality follows. For both cases, models are developed which have a high quality of fit. The relationships found are validated using demonstrators made of polypropylene (PP) as a semi-crystalline construction material and glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG) and polyvinyl alcohol (PVA) as support materials. Manual removal of the support structure and dissolution in a washout system are also exemplified on these printed objects. In addition to its use as a detachable connection, the suitability of microserration for permanent form-fit connections in the FLM process is also demonstrated by means of an additional series of tests. In addition to the theoretical derivation of the driving mechanism of microserration, the practical use of the process with conventional additive manufacturing systems is described and demonstrated. Thus, the interlocking support structures are immediately available to a wide range of users.

Additive manufacturing technologies (3D printing) revolutionize production technology by enabling the individual production of goods in batch size 1. Because of the low investment inhibition threshold, particularly 3D printers in the low and medium budget segment are very interesting especially for SME’s. These desktop 3D printers, which are often based on fused deposition modeling technology, are in many cases not able to achieve a consistently high product quality. The subject of this thesis is therefore the quality-oriented model-based process parameter optimization for the fused deposition modeling. The situation-dependent and flexible optimal setting of the process parameters is a central task for the realization of quality-optimized production systems. The main idea of the presented solution is to implement an application-specific combination of black box and white box models for a new grey box approach for several target variables, which allow the optimal parameter setting and adapt to changing conditions, such as new component geometries. Based on the analysis of the object areas optimization, modelling and additive manufacturing processes, the scope of the work is limited and the state of the art for the model-based optimization of additive manufacturing processes is specified. The resulting research gaps and consequently, the corresponding research questions are derived. Subsequently, different models are developed for the FDM technology for a total of four variables with eight target factors. Black box models based on empirical data obtained from experiments of a statistical experimental design as well as white box models, which are derived on the basis of literature review and own considerations. These models are validated and combined to a grey box approach for each target value. The generated models are implemented in a simulation environment together with a suitable minimization algorithm and the entire concept is subsequently validated. Finally, the approach is generalized and thus, a procedure for the grey box modeling for complex technologies is derived. The result is, on the one hand, a simulation environment with user interface for an exemplary FDM process and, on the other hand, a general approach, how the parameter optimization can be realized using grey box models for complex technologies. The simulation environment allows a user to predict the target variables based on defined parameter settings and also the optimization of these target variables by means of the optimization algorithm and the grey box models. The models adapt automatically to changing conditions and applications when new data is available. Furthermore, the developed general approach can be implemented for various complex technologies.

Diese Arbeit setzt sich mit der Realisierung von additiv gefertigten Bauteilen aus dem Open Source sowie professionellen 3D-Druck Sektor, für die Verwendung im Metallgussbereich auseinander. Durch vorangehende Recherche und Vergleiche konnte der derzeitige Stand der Technik ermittelt werden, welcher wiederum eine Ausgangsbasis für die empirischen Testreihen und Untersuchungen geschaffen hat. Die Testreihen dienten zur Ermittlung der Maßhaltigkeit von gefertigten Modellen, sowie zur Ermittlung des optimalen Materials für das Fused Layer Modelling Konzept. Des Weiteren sollen die Testreihen Aufschluss über die Möglichkeiten der Oberflächenbehandlungsmethoden geben, welche bei additiv gefertigten Modellen zum Einsatz kommen können, und welches sich davon am besten für FLM gefertigte Bauteile eignet. Für direkte Vergleiche werden in der Arbeit auch andere additive Fertigungsmethoden vorgestellt und deren Druckergebnisse mit jenen des FLM verglichen. Der Schwerpunkt der Arbeit befasst sich mit der Optimierung der Open Source und professionellen FLM Technologie, als Basis für den Metallguss. Grund hierfür ist die überwiegend industrielle Verwendung der Selektiven Laser Sintern bzw. Stereolithographie Anlagen bei der Formerstellung für den Metallguss. Es soll ein alternativer weg aufgezeigt werden um die FLM Technologie für die Gussformerstellung attraktiver zu machen. Basierend auf den Daten der Testreihen wurde ein Prozess erstellt, welcher die Reproduzierbarkeit bereits erreichter Ergebnisse gewährleistet und für zukünftige Untersuchungen dienlich ist. Der Prozess, welcher als Leitfaden angesehen werden kann, ist aber nicht nur auf die FLM Anwendung beschränkt, sondern kann auch auf andere Verfahren wie z.B. die Multijet Modelling Technologie angewendet werden. This thesis deals with the realization of additive manufactured components from open source and professional 3D printers for metal casting. Preliminary research and comparisons of the current state were carried out and created a starting point for a series of empirical tests and investigations. The test was used to determine the dimensional accuracy of the manufactured models, as well as to determine the optimum material for the fused layer modelling concept. Furthermore, the series of tests are intended to provide information on the possibilities of the surface treatment methods and which is best suited for FLM-manufactured components. For direct comparisons between other additive productions methods like SLS, SLA and MJM, which are also presented and their results are compared with those of the FLM technology. The reason for this is the predominantly industrial use of selective laser sintering and stereo lithography systems for the creation of metal casts. It was shown, that the use of FLM technology is also viable to create metal casts. Based on the generated data, a process was elaborated which ensures the reproducibility of previously achieved results and is suitable for future investigations. However, the process by itself, which may be considered a guide, is not limited to the FLM application, but may be applied to other methods such as e.g. The Multijet Modelling Technology. vorgelegt von: Mario Christian Dohr Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2017

eingereicht von: Schönhammer, Sebastian Zusammenfassung in englischer Sprache Universität für Bodenkultur Wien, Masterarbeit, 2016

Illustrationen, Diagramme

Rapid Prototyping-Verfahren ermöglichen die schnelle Herstellung von kompletten Modellen, Musterteilen und Prototypen direkt auf Basis der CAD-Dateien ohne Einsatz von Formen und Werkzeugen. Kompliziert geformte Bauteile, auch mit Hinterschneidungen und Hohlräumen, können mit diesen Verfahren innerhalb kürzester Zeit, das heisst weniger Stunden, aufgebaut werden. Potentiale ergeben sich durch Anwendung dieser neuartigen Technologien insbesondere bei der Entwicklung neuer Produkte. Wjhrend die Herstellung von Kunststoff-, Papier- und Wachsmaterialien bereits technisch realisiert ist, konzentrieren sich die gegenwärtigen Entwicklungsaktivitäten auf Verfahren und Prozeketten zur Herstellung metallischer Bauteil- und Werkzeuggeometrien.

Reducing the time to produce prototypes is a key to speed up the development of new products. One big goal is to produce prototype series which are not only out of the same material but also produced with a comparable manufacturing process as the real product. Today small batch series are produced by vacuum casting using the prototype as a master model. Another possibility is to manufacture prototype moulds directly but this need is not satisfied by commercially available RP systems. In the paper the latest developments and IFAM are discribed and the installed processes (Rapid Prototyping, Fused Deposition Modeling, lasersintering, Multiphase Jet Solidification, Stereolithography) are explained.

Rapid prototyping systems were designed to reduce the time taken to develop new products. Today available RP systems work with different techniques using paper, polymer and waxes. In order to fulfil the demand for metal prototyping, the Fraunhofer Insitute for Applied Materials Research (IFAM) works on RP systems for the direct production of metallic prototypes and tools.

Unter den Begriffen Rapid Prototypeing, Generative Fertigungsverfahren, Desktop Manufacturing werden verschiedene neue Technologien zur additiven Herstellung von Musterteilen zusammengefaßt. Bei diesen Verfahren entsteht im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren ein Bauteil über lokale Phasenumwandlungen zur additiven schichtweisen Erzeugung der Geometrie. Bemerkenswert hierbei ist, daß die Formgebung quasi werkzeuglos aus CAD-Daten erfolgt. Die Stereolithographie ist die am weitest entwickelte und meist verwendete Technik. Sie beruht auf der selektiven Aushärtung eines UV-sensitiven Harzes durch einen Laser. Es werden Grundprinzip, Materialeigenschaften der Prototypen, Datenübertragung, Fertigungsgenauigkeiten und Supportkonstruktion der Stereolithographie näher beschrieben. In einer anschließenden Betrachtung werden die Vorteile des Stereolithograhie-Modellbaus verdeutlicht und auf die Anwendungsmöglichkeiten eingegangen. Abschließend wird ein Überblick über die Prinzipien alternativer Rapid Prototyping Verfahren wie Solid Ground Curing, Selective Laser Sintering, Fused Deposition Modelling, Lamianted Object Manufacturing und 3D-Printing gegeben.