Generative design, evaluation and validation of additive miniaturized-manufactured components, based on GPS and quality standards, by high precision measurement technologies

Abstract

This dissertation presents a thorough investigation of production metrology in the context of contemporary additive manufacturing (AM), focusing specifically on the miniaturization of components. It begins with the motivation and problem statement, addressing the impetus for research and the challenges facing production metrology in additive manufacturing. The purpose and significance of the research are highlighted, along with the methodological approach and the scope and limitations of the study.The research underscores the historical development of production metrology and its critical importance in the context of additive manufacturing and Industry 4.0. It examines the emerging challenges and trends in the field and delineates the key areas of production metrology.The functional and geometrical product specifications (GPS) of additively manufactured miniaturized components are thoroughly discussed. Specific emphasis is placed on the functional specifications of flex and circular splines in harmonic drives, including a detailed definition of backlash in such systems. Various aspects of geometrical product specifications, including geometrical dimensions, tolerances, inspection and measurement methods, surface and profile roughness characterizations, and porosity are analyzed. The relevance of process capability indices in assessing the performance of manufacturing techniques is also elaborated upon.Miniaturization and additive manufacturing are covered in great detail, covering various additive manufacturing methods such as Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), and Select Laser Melting (SLM). The performance of specific 3D printers, including the RenkForce RF1000, EOS INT P700, EOS FORMIGA P110, and EOS INT M280, are assessed. The dissertation further explores the concept of miniaturization, particularly the miniaturization of mechanical components via additive manufacturing and the impact of geometrical deviations and tolerances through miniaturization.The study reviews high-precision measurement technologies employed in assessing the quality of AM-produced miniaturized components, such as Coordinate Measuring Machines (CMM), Computed Tomography (CT), Optical 3D Measurement Instruments, and Laser Interferometers. The principle and categorization of CMMs are discussed, and specific instruments, including the Aberlink Axiom TOO 600, Prismo Navigator, TomoScope® XS, and Renishaw XL-80, are evaluated for their capabilities and limitations.In the experimental segment, the dissertation provides a rigorous analysis of roughness, porosity, and geometrical measurement deviations of additive manufactured-miniaturized gear components. A novel compensation approach for additively manufactured components is proposed, incorporating MATLAB codes, aiming to address inherent inaccuracies and optimize the quality and performance of miniaturized components.The dissertation concludes by summarizing key findings and highlighting the potential future research directions in production metrology for additive manufactured miniaturized components. This research underscores the critical need for continuous advancements in metrology techniques and compensation approaches, advocating for the successful combination of AM technologies in the production of high-quality, reliable miniaturized components across various industries.

Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Fertigungsmesstechnik im Bereich der modernen additiven Fertigung (AM) mit einem Schwerpunkt auf der Miniaturisierung von Komponenten. Sie beginnt mit der Motivation und Problemstellung, die den Anstoß für die Forschung und die Herausforderungen der Fertigungsmesstechnik in der additiven Fertigung behandelt. Der Zweck und die Bedeutung der Forschung werden hervorgehoben, zusammen mit dem methodischen Ansatz und dem Umfang und den Grenzen der Studie.Die Forschung unterstreicht die historische Entwicklung der Fertigungsmesstechnik und ihre entscheidende Bedeutung im Kontext der additiven Fertigung und Industrie 4.0. Sie untersucht die aufkommenden Herausforderungen und Trends in diesem Bereich und umreißt die Schlüsselbereiche der Fertigungsmesstechnik. Die funktionalen und geometrischen Produktspezifikationen (GPS) von additiv gefertigten miniaturisierten Komponenten werden ausführlich diskutiert. Besonderes Augenmerk wird auf die funktionalen Spezifikationen von flexiblen und kreisförmigen Verzahnungen in Harmonic Drives gelegt, einschließlich einer detaillierten Definition von Spiel in solchen Systemen. Verschiedene Aspekte der geometrischen Produktspezifikationen, einschließlich geometrischer Abmessungen, Toleranzen, Inspektions- und Messmethoden, Oberflächen- und Profilrauheitscharakterisierungen und Porosität werden analysiert. Die Relevanz von Prozessfähigkeitsindizes bei der Bewertung der Leistung von Fertigungsprozessen wird ebenfalls erläutert. Ein tiefgreifender Überblick über die additive Fertigung und die Miniaturisierung wird gegeben, wobei verschiedene additive Fertigungsmethoden wie Fused Deposition Modeling (FDM), Selektives Lasersintern (SLS) und Selektives Laserschmelzen (SLM) behandelt werden. Die Leistung spezifischer 3D-Drucker, darunter der Renkforce RF1000, EOS INT P700, EOS FORMIGA P110 und EOS INT M280, wird bewertet. Die Dissertation untersucht weiterhin das Konzept der Miniaturisierung, insbesondere die Miniaturisierung mechanischer Komponenten durch additive Fertigung und die Auswirkungen von geometrischen Abweichungen und Toleranzen durch Miniaturisierung.Die Studie überprüft hochpräzise Messtechnologien, die zur Bewertung der Qualität von AM-hergestellten miniaturisierten Komponenten eingesetzt werden, wie Koordinatenmessmaschinen (CMM), Computertomographie (CT), optische 3D-Messinstrumente und Laserinterferometer. Das Prinzip und die Kategorisierung von CMMs werden diskutiert, und spezifische Instrumente, darunter der Aberlink Axiom TOO 600, Prismo Navigator, TomoScope® XS und Renishaw XL-80, werden hinsichtlich ihrer Fähigkeiten und Einschränkungen bewertet.Im experimentellen Abschnitt liefert die Dissertation eine rigorose Analyse von Rauheit, Porosität und geometrischen Messabweichungen von additiv gefertigten Miniatur-Getriebekomponenten. Ein neuartiger Kompensationsansatz für additiv hergestellte Komponenten wird vorgeschlagen, der MATLAB-Codes einbezieht und darauf abzielt, inhärente Ungenauigkeiten zu beheben und die Qualität und Leistung von miniaturisierten Komponenten zu optimieren.Die Dissertation endet mit einer Zusammenfassung der wesentlichen Ergebnisse und betont potenzielle zukünftige Forschungsansätze im Bereich der Fertigungsmesstechnik für additiv gefertigte Miniaturkomponenten. Diese Forschung unterstreicht den entscheidenden Bedarf an kontinuierlichen Fortschritten in den Messtechniken und Kompensationsansätzen, um eine erfolgreiche Integration von AM-Technologien in der Produktion von qualitativ hochwertigen, zuverlässigen Miniaturkomponenten in verschiedenen Industrien zu befürworten.