Gast ::
| 001 | 819672 | ||
| 005 | 20230411161556.0 | ||
| 024 | 7 | _ | |2 HBZ |a HT020959066 |
| 024 | 7 | _ | |2 Laufende Nummer |a 40650 |
| 024 | 7 | _ | |2 datacite_doi |a 10.18154/RWTH-2021-05200 |
| 037 | _ | _ | |a RWTH-2021-05200 |
| 041 | _ | _ | |a English |
| 082 | _ | _ | |a 620 |
| 100 | 1 | _ | |0 P:(DE-588)1235687023 |a Lopez-D'Angelo, Olfa |b 0 |u rwth |
| 245 | _ | _ | |a Powder-based additive manufacturing for space : from granular rheology in varying gravitational environment to the development of a gravity-independent powder handling method |c submitted by Olfa Lopez D'Angelo M.Sc. M.B.A. |h online |
| 260 | _ | _ | |a Aachen |b RWTH Aachen University |c 2021 |
| 300 | _ | _ | |a 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme |
| 336 | 7 | _ | |0 2 |2 EndNote |a Thesis |
| 336 | 7 | _ | |0 PUB:(DE-HGF)11 |2 PUB:(DE-HGF) |a Dissertation / PhD Thesis |b phd |m phd |
| 336 | 7 | _ | |2 BibTeX |a PHDTHESIS |
| 336 | 7 | _ | |2 DRIVER |a doctoralThesis |
| 336 | 7 | _ | |2 DataCite |a Output Types/Dissertation |
| 336 | 7 | _ | |2 ORCID |a DISSERTATION |
| 500 | _ | _ | |a Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University |
| 502 | _ | _ | |a Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021 |b Dissertation |c Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen |d 2021 |g Fak05 |o 2021-05-18 |
| 520 | 3 | _ | |a Mit dem zunehmenden Drang der Menschheit in den Weltraum entsteht ein Bedarf für vielseitig einsetzbare Technologien, die unter extremen Bedingungen – besonders in Abwesenheit der Schwerkraft – einsetzbar sind. Fertigung direkt im Weltraum [In-Space Manufacturing (ISM)] würde es ermöglichen, Nutzlasten zu optimieren, indem durch Produktion von Werkzeugen, Ersatzteilen oder Bauteilen auf Abruf die Autarkie von langandauernden Missionen erhöht würde. Während pulverbasierte 3D-Druckverfahren hohe Druckqualität und Flexibilität bezüglich der Rohmaterialien ermöglichen, so bleiben dennoch alle derzeit verfügbaren Realisierungen dieser Technik im Hinblick auf die Fließeigenschaften des Pulvers sowie auf die Recycling-Fähigkeit eingeschränkt. Die vorliegende Arbeit stellt eine neue Methode der Handhabung und der additiven Fertigung granularer Materialien vor, die unabhängig von der Schwerkraft ist, und die sich von den Zwängen wohlbestimmter Fließeigenschaften des granularen Rohmaterials befreit. Technische Evolution erfolgt Hand in Hand mit einem verbesserten Verständnis der physikalischen Phänomene, die der jeweiligen Technik zugrunde liegen. Der Entwicklung einer pulver- basierten additiven Fertigungsmethode wurde hier deshalb eine ausgedehnte Studie der Faktoren, die die rheologischen Eigenschaften granularer Materialien beeinflussen, vorangestellt. Sphärische Polystyrol (PS)-Pulver mit einer gezielten Modifikation der Oberflächenrauigkeit der Teilchen wurden als exemplarische Materialien benutzt, um zwei Pulver zu erzeugen, die in allen Belangen ähnlich sind, bis auf die Oberflächen der Granulatteilchen. Die Verbindung zwischen physikalischen und rheologischen Eigenschaften dieser Pulver wurde untersucht: zum einen durch typische rheologische Messungen (Einschalt-Vorgänge, stationäre Fließkurven, sowie Zugfestigkeitstests im Pulver-Bett), zum anderen durch phänomenologische Tests aus der industriellen Anwendung (insbesondere der Fließenergie-Test zur Ermittlung der flow energy). Durch die Beobachtung und Quantifizierung wesentlicher Unterschiede im Fließverhalten der Pulver, die allein auf die Modifikation der Reibungswechselwirkung zwischen den Granulatteilchen zurück- gehen, konnte das bislang nur schlecht definierte Konzept der Pulverfließfägkeit [powder flowability] neu betrachtet werden, um eine Definition zu geben, die nicht nur genuine Pulvereigenschaften des Materials, sondern auch die Umgebungsbedingungen einbezieht. Der Einfluss solcher Umgebungsbedingungen wurde hier insbesondere betrachtet, indem die Auswirkung der Gravitationskraft (oder die ihrer Abwesenheit) auf Kolben-Kompressionstests des granularen Materials untersucht wurde. Durch Experimente in Schwerelosigkeit im Rahmen einer Parabelflugkampagne konnte hier gezeigt werden, dass in Abwesenheit eines durch die Gravitationskraft bereitgestellten sekundären Kraftfeldes sich das Fließen des Pulvers verschlechtert und sich die Packungsdichte, bei der das Pulver blockiert, verringert. Dies hat dramatische Konsequenzen für die Handhabung von Pulvern in verringerter Schwerkraft. Die Ergebnisse dieser ersten Experimentkampagne führten zur Entwicklung des genannten additiven Fertigungsprozesses. Dieser Prozess verwendet ausschlies̈lich Antriebsmechanismen zur Schichtung des granularen Basismaterials, welche unabhängig von Schwerkrafteinflüssen sind (insbesondere Scherung und Vibration). Der Prozess erlaubt eine Anpassung an unterschiedliche Fliesseigenschaften des Basismaterials, indem die Prozessparameter über einen Regelkreis, der auf in-situ-Messungen rheologischer Eigenschaften des Pulvers zugreifen kann, während des Drucks verändert werden können. Die Pulverauftragsmethode wurde zunächst durch Diskrete-Elemente-Simulationen validiert; die Simulationen bestätigen, dass die Wirksamkeit des Prozesses weder von der Schwerkraftumgebung abhängt, noch von Variationen in den kohäsiven Wechselwirkungen der Granulatteilchen. Eine experimentelle Bestätigung des vorgeschlagenen Prozesses wurde ebenso realisiert: zwei Prototypen von 3D-Druckern wurden hergestellt und sowohl am Boden als auch im Rahmen zweier Parabelflugkampagnen verwendet, um Teile aus den beiden oben genannten PS-Pulvern mit hoher und mäßiger Fließfähigkeit herzustellen. Die erfolgreiche Herstellung dieser Teile sowohl unter gewöhnlicher Schwerkraft als auch unter Schwerelosigkeit, sowohl auf der Basis gut fliessfähiger als auch auf der Basis schlecht fließfähiger Granulate, stellt die Haupterrungenschaft der vorliegenden Arbeit dar. Die auf diese Weise gesinterten Proben wurden mit Hilfe von Röntgentcomputertomographie untersucht. Es zeigt sich keinerlei systematischer Unterschied in der Porosität zwischen den Proben, die unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen hergestellt wurden: die Proben sind von nahezu perfekt hoher Dichte und isotrop. Es war mit den Prototypen ebenso möglich, (am Boden) Teile direkt aus Recyclingmaterial herzustellen; dazu wurde das Basismaterial direkt aus einem vorher 3D-gedruckten Teil durch Zermahlen gewonnen. Dies stellt einen Fortschritt für das Recycling im geschlossenen Kreislauf im Bereich der pulverbasierten additiven Fertigung dar, der bislang in keinem kommerziell erhältlichen Fertigungsprozess umgesetzt werden konnte, und der einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Selbstversorgungsfähigkeit zukünftiger Weltraummissionen liefert. Die vorliegende Arbeit führte im September 2020 zur Einreichung eines Patents, unter- stützt durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), unter der Patentantragsnummber 10 2020 123 753.7 mit dem Titel “Vorrichtung und Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen in Umgebungen mit unterschiedlicher Gravitation und mit Material unterschiedlicher Fließfähigkeit [Apparatus and Method for Additive Manufacturing of Components in Environments with Various Gravitation-levels and with Materials of Different Flowability]”. |l ger |
| 520 | _ | _ | |a As human reach into space expands, need arises for versatile technologies, working under extreme conditions – notably, in absence of gravity. In-Space Manufacturing (ISM) would allow payload optimisation by enabling on-demand production of tools, spare parts or building elements, increasing self-sufficiency of long-endurance missions. While powder-based three dimensional (3D) printing processes offer high printing quality and adaptability to multiple raw materials, for all techniques available today, constrains remain on feedstock flow properties and recyclability of base-material. The work presented here proposes a new method for handling and additively manufacturing granular materials, independently of the gravitational environment, and emancipating from requirements on powder-feedstock flow properties. Technical evolutions go hand in hand with an understanding of the physical phenomena that underlie them. The development of a powder-based Additive Manufacturing (AM) process was hence preceded by a study of the factors influencing granular rheological response. To be used as demonstrator, a spherical polystyrene (PS) powder was modified to increase its surface roughness, resulting in two powders similar in all respects but their surface state. The link between physical and rheological properties of powders was explored, through typical rheometry tests (flow start-up and stationary flow curves, powder-bed tensile strength), but also through phenomenological testing methods found in industrial applications (notably the flow energy test). Observing and quantifying essential differences in flow-behaviour emerging from this modification of the frictional interactions between particles, allowed to approach the ill-defined concept of powder flowability, to propose a definition which encompasses not only the inherent powder physical properties, but also the environmental factors surrounding the material. To query the influence of such environmental factors, the same powder was used to study the effect of gravity (and absence thereof) on piston-probing of granular material. Using parabolic flight as a microgravity platform, this experiment revealed that, in absence of the secondary force field provided by gravity, powder flow deteriorates and packing fraction at jamming lowers, with dramatic consequences for powder handling in reduced gravity. Results from this first experimental campaign led to the design of the mentioned AM process. To deposit the granular base-material, this process uses solely driving mechanisms in- dependent of gravity (namely shear and shaking). To allow versatility in feedstock material’s flow-behaviour, adaptability of the process printing parameters was implemented through a control loop fed by in-situ probing during powder handling. The material deposition method was first validated through Discrete Element Method (DEM) simulation, showing no dependence of the process efficiency on the gravitational environment, nor on the increased interparticle cohesive forces. Experimental demonstration was also provided, through the construction of two prototype 3D printers, used on-ground and on parabolic flights to manufacture parts from the two powders mentioned above: PS powders of high and mediocre flowability. The successful manufacturing of parts under gravity as well as in weightlessness, from both powders, regardless of their flow properties, represents the main achievement of this work. X-ray computed tomography (CT) analysis of the sintered parts showed no systematic change in porosity between the samples manufactured under different gravitational environments, with near-perfect density and isotropic porosities. Parts were also produced directly from recycled material (under 1g), obtained by closed-loop recycling of former 3D printed parts; an achievement that no commercially available additive manufacturing process to date could realise, and that will be a critical asset for increasing the self-sustainability of space exploration missions. The work presented lead to filing a patent in September 2020, endorsed by the German Aerospace Center, under the application number 10 2020 123 753.7 for an “Apparatus and Method for Additive Manufacturing of Components in Environments with Various Gravitation- levels and with Materials of Different Flowability”. |l eng |
| 588 | _ | _ | |a Dataset connected to Lobid/HBZ |
| 591 | _ | _ | |a Germany |
| 653 | _ | 7 | |a additive manufacturing |
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| 653 | _ | 7 | |a technology demonstration |
| 700 | 1 | _ | |0 P:(DE-588)1097416151 |a Brillo, Jürgen |b 1 |e Thesis advisor |u rwth |
| 700 | 1 | _ | |0 P:(DE-82)IDM00957 |a Senk, Dieter |b 2 |e Thesis advisor |u rwth |
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| Library | Collection | CLSMajor | CLSMinor | Language | Author |
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