Ein Beitrag zum elektrochemischen Fügen im Kontext der additiven Fertigung

In dieser Arbeit wird der Einsatz der elektrochemischen Metallabscheidung in der Funktion als Fügeverfahren untersucht. Ausgangspunkt sind Entwicklungen in der Produktgestaltung für die additive Fertigung, welche auf eine kombinierte Anwendung von Integral- und Differentialbauweise abzielen. Dabei werden Produkte in einzeln zu fertigende Komponenten unterteilt, welche im Anschluss an den additiven Fertigungsprozess zum Gesamtprodukt gefügt werden müssen. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde in der elektrochemischen Metallabscheidung aufgrund ihres werkzeuglosen und sogar kontaktlosen Charakters ein potentielles Fügeverfahren auch für komplexe Geometrien erkannt. Dabei wurden Schwächen in der Herstellbarkeit und der Beanspruchbarkeit der Verbindung festgestellt, die mit der Gestaltung der Verbindungszone zusammenhängen. An dieser Stelle setzt diese Arbeit an, weshalb sie sich auf den Themengebieten der beanspruchungsgerechten und der fertigungsgerechten Gestaltung bewegt. Diese werden separat betrachtet und die Ergebnisse anschließend in den Kontext der Differentialbauweise eingeordnet. Der erste Handlungsblock liegt in der Entwicklung einer Vorgehensweise zur beanspruchungsgerechten Gestaltung und dem Auslegen der Verbindung. Dafür werden die gestalterischen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Beanspruchbarkeit der Verbindung und der Beanspruchung in der Verbindung identifiziert. Diese liegen in der Werkstoffauswahl, der Festlegung der Beschaffenheit der zu beschichtenden Oberflächen und der Tiefe und dem Öffnungswinkel der Fügezone. Letzteres sind die geometrischen Merkmale, die die Fügegeometrie beschreiben. Eine bereits existierende Versagenshypothese, mit welcher die Sicherheit gegenüber Versagen der Haftung ermittelt werden kann, wird zur Anwendung auf weitere Beanspruchungsarten erweitert. Unter Verwendung der erweiterten Versagenshypothese und den identifizierten Merkmalen und Eigenschaften wird die Vorgehensweise zur Auslegung der Verbindung entwickelt, welche in einem iterativen Vorgehen den Öffnungswinkel als Optimierungsparameter nutzt. Zur Untersuchung der fertigungsgerechten Gestaltung wird eine Simulation des elektrochemischen Prozesses am Beispiel eines schwefelsauren Kupferelektrolyten verwendet, um den Einfluss der bereits in der beanspruchungsgerechten Gestaltung genutzten Geometriemerkmale und weiterer konstruktiver Möglichkeiten auf die Schichtdickenverteilung und anderer fertigungsrelevanter Eigenschaften der Verbindung zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass mit steigender Fügezonentiefe auch der Öffnungswinkel vergrößert werden muss, um die Fertigbarkeit zu verbessern. Der Einsatz abschirmender Blenden zeigt großes Potential zur Reduktion des Nachbearbeitungsaufwands. Weiterhin werden aus den gewonnenen Erkenntnissen Gestaltungsrichtlinien abgeleitet, die neben dem eigentlichen Fügevorgang auch die Prozessschritte Vorbereitung und Nachbereitung betreffen, die Qualität des Fügeprozesses verbessern und den Aufwand reduzieren sollen. Die Arbeit schließt mit einer Erweiterung der Methoden der Differenzialbauweise in der additiven Fertigung um eine Vorgehensweise zur Auswahl für das galvanische Fügen geeigneter Schnittvarianten. Dabei kommen die Ergebnisse aus den vorherigen Kapiteln zum Tragen, um Auswahlkriterien zu definieren, anhand derer die Geometrie im Bereich der Trennstelle begutachtet wird, was zur Auswahl der Schnittvarianten führt.

This dissertation examines the use of electrochemical metal deposition as a joining process. The starting point are developments in product design for additive manufacturing, which are aimed at a combined application of integral and differential design. Here, products are divided into components to be manufactured individually, which must logically be joined to form the overall product following the additive manufacturing process. As part of a feasibility study, electrochemical metal deposition was identified as a potential joining process for complex geometries due to its tool-free and even contactless nature. Shortcomings in the manufacturability and strength of the joint were recognized, which are related to the design of the joint zone. And this is precisely where this work comes with its approach, to focus on the topics of stress-appropriate and manufacturing-appropriate design. These are considered separately and the results are then placed in the context of differential design. The first block of action lies in the development of a procedure for the stress-appropriate design and dimensioning of the connection. In order to address this issue, the design options for influencing the load-bearing capacity of the joint and the stress in the joint are identified. These lie in the choice of material, the definition of the properties of the surfaces to be coated and the depth and opening angle of the joint zone. The latter are the geometric features that describe the joining geometry. An existing failure hypothesis, which can be used to determine the safety against failure of the adhesion, is extended for application to other types of stress. Using the extended failure hypothesis and the identified characteristics and properties, the procedure for designing the joint is developed, which uses the opening angle as an optimization parameter in an iterative procedure. A simulation of the electrochemical process using the example of a sulphuric acid copper electrolyte is used to investigate the manufacturing-oriented design in order to determine the influence of the geometric features already used in the load-oriented design and other design options on the layer thickness distribution and other production-relevant properties of the joint. It is shown that as the joining zone depth increases, the opening angle must also be increased in order to improve manufacturability. The use of shielding apertures shows great potential for reducing the amount of post-processing required. Furthermore, design guidelines are derived from the knowledge gained which, in addition to the actual joining process, also affect the process steps of preparation and post-processing, improve the quality of the joining process and reduce the effort involved. The work closes with an extension of the methods of differential construction in additive manufacturing to include a procedure for selecting suitable cutting variants for electroplated joining. The results from the previous chapters are used to define selection criteria, on the basis of which the geometry in the area of the separation point is examined, which leads to the selection of the cutting variants.