CRC 814 - Additive Manufacturing (SFB 814)
Third Party Funds Group - Overall project
Acronym: SFB 814
Start date : 01.07.2011
End date : 30.06.2023
Website: https://www.crc814.research.fau.eu
Overall project details
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Project details
Short description
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Additive manufacturing processes allow maximum geometrical freedom of design without forming tools, due to the layered structure of the components. Additive processes are ideally suited for the production of complex components that are primarily optimized for design and function. Access to industrial applications of additive processes requires a high degree of process and component reproducibility, reliable and designable processes and tailor-made component properties. The CRC 814 is operating in this field and concentrates on the processes of selective laser beam melting of plastics and metals as well as selective electron beam melting. The CRC 814 aims to produce multi-material components from plastics or metals with defined, reproducible and graded properties using powder- and beam-based additive manufacturing processes. This vision requires the analysis of the entire process chain, from powder production through processing to the final components. The simulation of the individual sub-processes on a micro-, meso- and macroscopic level enables the prediction of process behavior and component properties.
In the first funding period of the CRC 814, a basic understanding of powder- and beam-based additive manufacturing processes was created. The modification of the process for the realization of new component properties was the focus of the 2nd funding period. The numerical tools were improved in their efficiency in order to model first complete manufacturing processes and to enable the prediction of component properties in perspective. In the third funding period, the understood processes will be modified to produce components with reproducible, graded and defined properties. In addition, the material design during powder production is carried out with regard to the additive processes. The systematic derivation of correlations between powder, process, structure and the resulting part properties allows an improved process robustness to generate new component properties and multi-material parts. Furthermore, simulations will be qualified to predict the process behavior and component properties on micro- , meso- and macroscopic levels. The consolidation of the simulations implemented in CRC 814 into a virtual laboratory will enable an efficient, computer-aided design of material systems, process strategies and component properties in the future.
Scientific Abstract
Unter den Begriffen additive, respektive generative Fertigungsverfahren, werden Technologienverstanden die Körper schichtweise aufbauen. Sie ermöglichen die Herstellung komplexerGeometrien aus Kunststoff und Metall ohne Form und Werkzeug, und machen somit einekonstruktionsorientierte Fertigung von individuellen Produkten möglich. Wesentliche Vorteile sinddie Aufhebung vieler konstruktiver Restriktionen (z.B. Realisierung von Hinterschnitten) und dieflexible Fertigung von individuellen Bauteilen mit nahezu beliebig komplexen Geometrien in einemBauprozess. Additive Verfahren ermöglichen daher bisher technisch nicht zugängliche Konstruktions-und Gestaltungsweisen, wie z.B. die Komprimierung von montierten Baugruppen auf ein einzelnesBauteil. Alle diese Aspekte lassen erwarten, dass sich die additive Fertigung zukünftig zueiner in der Industrie wesentlichen neuen Fertigungstechnologie heranbilden kann. Trotz des rasantentechnologischen Fortschritts der letzten Jahre ist es bisher nicht gelungen, diese Verfahrenzu serientauglichen Produktionstechnologien weiter zu entwickeln. Gründe hierfür sind vor allemeine bislang eingegrenzte Materialverfügbarkeit, die mangelnde Prozessstabilität und -simulationsowie das Fehlen von prozessspezifischen Konstruktionsweisen. Ein zusätzliches Defizit der additivenVerfahren besteht in der noch nicht ausreichenden Präzision bezüglich Geometrieabbildungund Detailtreue. Neue Verfahrensansätze zielen auf die Herstellung gradierter und hybrider Komponentenab. Die durchgängige Nutzung im Sinne des Computer Integrated Manufacturing (CIM)erfordert darüber hinaus die Erarbeitung werkstoff- und prozessspezifischer Simulations- undKonstruktionstools.Der Erforschung dieser Herausforderungen will sich die Gruppe der Wissenschaftler dieses Sonderforschungsbereichsstellen. Fokussiert auf strahl- und pulverbasierte Technologien der AdditivenFertigung ist es Ziel der Initiative ein vertieftes Prozessverständnis zu erarbeiten und eine breitereWerkstoffpalette im Bereich der Kunststoffe und der Metalle mit optimierten Eigenschaften fürProzess und Anwendung nutzbar zu machen, um auf dieser Basis neue Multi-Materialbauteile(gradierte und hybride Körper) zu generieren. Es soll ermöglicht werden, multifunktionale Verbundwerkstoffeund Werkstoffverbunde mit neuen werkstofflichen Eigenschaften und neuen konstruktivenLösungen auf Basis reproduzierbarer, robuster, messbarer und in der Simulation abgebildeterProzesse verarbeiten zu können. Aus den speziellen Gegebenheiten bei der additivenFertigung lassen sich zahlreiche übergreifende wissenschaftliche Fragestellungen ableiten, beispielsweisezur Herstellung und Funktionalisierung von Pulvern (Gasverdüsung vonPolymerschmelzen, allgemeine Erhöhung der Schüttdichte), zum Schmelz- und Erstarrungsverhaltenim Pulverbett (epitaktisches Anwachsen neuer Schichten, zeitabhängiges Kristallisationsverhaltenvon Polymeren), zum Fließen flacher Schmelzepools (Verspritzen von Schmelze bei Metallen,„Balling“, allgemein zu raue Oberfläche), zur Entstehung von Eigenspannungen und Verzug.Dabei erwarten wir gerade von der parallelen Betrachtung der beiden Werkstoffgruppen (Kunststoffeund Metalle) sowie der breiten Anwendung von Simulationsverfahren zahlreiche neue Einblicke.
