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Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Konstruktion und Fertigung eines Heißdrahtförderers sowie Sensordatenmanagement

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additiven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Wiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung eines energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmesserbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zugeführt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Bei EUTECT wird ein Heißdrahtfördersystem entwickelt, welches auf der einen Seite Feindrähte im Durchmesserbereich zwischen 50 µm und 100 µm prozesssicher fördern kann und auf der anderen Seite über eine Widerstandserwärmung verfügt, welche mit elektrischer Leistung von unter 7 W den Draht auf Temperaturen kurz unterhalb der Schmelztemperaturen erwärmen kann. Zusätzlich soll mit einer zu entwickelnden Kraftmesseinheit die mechanische Widerstandskraft auf den Draht während des Auftragschweißprozesses detektierbar sein.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Konstruktion und Fertigung des koaxialen Laserauftragschweißkopfes und Laserprozessentwicklung

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Pulverwiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Im Teilvorhaben ist einerseits beabsichtigt, einen Laserbearbeitungskopf zu entwickeln. Dieser umfasst vier einzelne Strahlquellen sowie eine geeignete Strahlführung. Der Bearbeitungskopf verfügt zudem über eine mechanische Schnittstelle zur Aufnahme eines Drahtvorschubs. Anderseits werden in diesem Teilvorhaben Auftragschweißprozesse im Laboraufbau und im Versuchsstand eines Projektpartners unter industriellen Bedin­gungen entwickelt. Der Nachweis der industrienahen Einsetzbarkeit soll anhand der Fertigung anwendungstypischer Demonstratorbauteile erfolgen.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Wiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Die Entwicklungstätigkeiten des Antragstellers im Teilvorhaben zielen dabei auf die energieverbrauchsoptimierte Regelung der Anlagenkomponenten wie Laserstrahlquellen, Drahtfördersystem, Vorwärmsystem und Bewegungssystem.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Errichtung des Versuchsstands und Entwicklung der Maschinensteuerung

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Wiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Die Entwicklungstätigkeiten des Antragstellers im Teilvorhaben zielen dabei auf die energieverbrauchsoptimierte Regelung der Anlagenkomponenten wie Laserstrahlquellen, Drahtfördersystem, Vorwärmsystem und Bewegungssystem.

Funktionalisierung eines neuartigen thermoplastischen Polyurethanpulvers für das Selektive Lasersintern elastischer Bauteile

Funktionalisierung eines neuartigen thermoplastischen Polyurethanpulvers für das Selektive Lasersintern elastischer Bauteile, KMU-innovativ - SLSElasto - Funktionalisierung eines neuartigen thermoplastischen Polyurethanpulvers für das Selektive Lasersintern elastischer Bauteile

Photonische Prozesse zum schnellen, präzisen und flexiblen Heizen von Halbleiterbauelementen, Teilvorhaben: Ultraschnelle in situ-Analyse von Annealing-Prozessen mittels Pump-Probe Messtechnik

Ziel des Projektes ist das breite Spektrum der thermischen Prozesse (Annealing) in der Solarzellenproduktion mit 'Laser' als Wärmequelle abzudecken und die Limitierungen der Ofentechnologie zu überwinden. Folgender Bedarf wird adressiert: Örtlich selektive Behandlung einzelner Schichten in komplexen Strukturen wie Perowskit- und Heterosolarzellen sollen überhaupt möglich gemacht werden. In Öfen werden die Werkstücke als Ganzes geheizt. Während manche Schichten von der Wärme profitieren, degradieren andere. Laser bieten über angepasste Wellenlänge, Strahlformung und Pulsdauern drei Strategien zum selektiven Wärmeeintrag. - Temperaturen größer als 1400 Grad C im Werkstück sollen energieeffizient erreicht werden. Im Gegensatz zu Lampen oder elektrischen Elementen können Laser Materialien heizen, während sie selbst kalt bleiben. Die Anforderungen an das Kühlsystem und Stromverbrauch der Anlage sinken dabei. - Die Geschwindigkeit, die Präzision und die Flexibilität des Wärmeeintrags sollen erheblich steigen. Laser können auf Knopfdruck an- und ausgeschaltet werden und sind somit hoch dynamische Quellen. - Die physikalischen Mechanismen im Werkstück sollen durch die breiten Prozessoptionen mit Lasern besser verstanden werden. Die Materialien in Solarzellen sind vielseitig, ebenso wie zur Verfügung stehenden Laser. Im Konsortium in PhocoHila soll zum ersten Mal ein Gesamtbild erzeugt werden, das die Anforderungen der Materialien mit den verfügbaren Strahlquellen verknüpft. Daraus kann für die verschiedenen Anwendungen im Kontext der jeweils geltenden Randbedingungen die optimale thermische Behandlung ermöglicht werden. Des Weiteren soll in PhocoHila die Laser-Materie Interaktion in unterschiedlichen Szenarien mit dediziertem Messequipment detailliert untersucht werden. Auch Anlagenentwicklung wird in diesem Projekt adressiert. Es soll eine Prototyp Laseranlage mit integrierter Vakuum-Prozesskammer gebaut werden, die Annealing bei hohen Temperaturen über dem Schmelzpunkt ermöglicht.

Photonische Prozesse zum schnellen, präzisen und flexiblen Heizen von Halbleiterbauelementen, Teilvorhaben: Prozesskammer für laserbasierte Hochtemperaturprozessierung

Die Ziel des Projektes ist das breite Spektrum der thermischen Prozesse (Annealing) in der Solarzellenproduktion mit 'Laser' als Wärmequelle abzudecken und die Limitierungen der Ofentechnologie zu überwinden Die Materialien in Solarzellen sind vielseitig, ebenso wie die Laser. Im Vorhaben 'PhocoHila' soll zum ersten Mal ein Gesamtbild erzeugt werden, das die Anforderungen der Materialien mit den verfügbaren Strahlquellen verknüpft. Daraus kann für die verschiedenen Anwendungen im Kontext der jeweils geltenden Randbedingungen die optimale thermische Behandlung ermöglicht werden. Des Weiteren soll in PhocoHila die Laser-Materie Interaktion in unterschiedlichen Szenarien mit dediziertem Messequipment detailliert untersucht werden. Auch Anlagenentwicklung wird in diesem Projekt adressiert. Es soll eine Prototyp Laseranlage mit integrierter Vakuum-Prozesskammer gebaut werden, die Annealing bei hohen Temperaturen über dem Schmelzpunkt ermöglicht.

Untersuchungen zu Mengengerüst und Entsorgungsmöglichkeiten berylliumhaltiger radioaktiver Abfälle in Deutschland

thermische Energiespeicher: PCM-Screening: Evaluierung eutektischer Gemische für den Einsatz als PCM: thermodynamische Modellierung und experimentelle Methoden, Teilvorhaben: TDB-PCM

Latentwärmespeicher ermöglichen durch die Ausnutzung einer fest-flüssig oder fest-fest Phasenumwandlung hohe Speicherdichten bei geringen Temperaturdifferenzen. Aufgrund dieser Charakteristik wird aber für jeden Anwendungsfall ein Latentwärmespeichermedium (Phase Change Material = PCM) mit einer genau auf die Anwendung abgestimmten Schmelztemperatur benötigt. Da die Verfügbarkeit an Reinstoffen mit passenden Schmelztemperaturen begrenzt ist, sind als PCM vor allem eutektische Gemische von Interesse, deren Schmelz- und Erstarrungsverhalten eine ähnliche Charakteristik wie die von Reinstoffen aufweist. Im vorliegenden Teilprojekt TDB-PCM soll eine thermochemische Datenbank generiert werden, die es erlaubt, das Schmelz- bzw. Erstarrungsverhalten und die zugehörigen Wärmebilanzen ausgewählter PCM durch Gleichgewichtsberechnungen vorherzusagen. Die von GTT hauptsächlich zu leistende Arbeit besteht in der Generierung von selbstkonsistenten thermochemischen Datensätzen (Gibbs-Energien) der einzelnen Phasen, die in den ausgewählten chemischen Systemen (siehe Partner TUD und BTU (Salzhydrate und Salze) einerseits und FZJ (wasserfreie Salze) andererseits) vorkommen können. Es hat sich bereits gezeigt, dass die experimentellen Daten, die für die Generierung der Datensätze notwendig sind, in der Literatur nur unzureichend vorzufinden sind. Daher wird eine sehr enge Zusammenarbeit der GTT mit den oben genannten Partnern TUD/BTU bzw. FZJ erforderlich sein, um sicher zu stellen, dass die notwendigen experimentellen Daten von diesen erzeugt werden. Andererseits wird GTT die thermochemischen Experimente, aber vor allem die abschließenden Überprüfungen der neuen PCM mit entsprechenden Berechnungen unterfüttern. Regelmäßige Projekttreffen und zwischenzeitliche Videokonferenzen werden zu diesem Zweck durchgeführt.

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