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In den vergangenen Jahren hat sich im Bereich der additiven Fertigung auch das großvolumige Schmelzschichten kontinuierlich weiterentwickelt. Diese Technologie zeichnet sich durch leistungsfähige Extrudiersysteme mit hohen Austragsraten (>1,5 kg/h) und verhältnismäßig großen Düsendurchmessern (3 - 15 mm) aus. Obwohl das auf Granulat basierende Verfahren ein deutlich größeres Anwendungsspektrum hinsichtlich zu verarbeitender Kunststoffe bietet und zudem deutlich reduzierte Fertigungszeiten sowie die Herstellung wesentlich größerer Komponenten (>2 m³) ermöglicht, bringt es gleichzeitig neue Herausforderungen hinsichtlich der Herstellung von Bauteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften mit sich. Besonders der im Vergleich zum Filamentverfahren deutlich größere Düsendurchmesser und die daraus resultierende Stranggeometrie führen zu einer Skalierung des für die additive Materialextrusion charakteristischen Aufbaus der Bauteile. Dadurch treten technologiebedingte Merkmale (bspw. Treppenstufeneffekt, Hohlräume, etc.) deutlich prägnanter zum Vorschein. Die generierten Bauteile besitzen ein orthotropes Verhalten. Die vorliegende Arbeit vermittelt ein umfassendes Prozessverständnis über das großvolumige Schmelzschichten und beschreibt die Entwicklung einer richtungsvariablen Lasertemperiereinheit, um den additiven Prozess und die Lasermaterialbearbeitung zu kombinieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen dabei die Werkstoffe PMMA (Polymethylmethacrylat) und SAN (Styrol-Acrylnitril). Die Entwicklung eines umfangreichen Prozessmodells ermöglicht es Bauteile unter Berücksichtigung von Stranggeometrie, Abkühlverhalten sowie Schichtverbindungsqualität reproduzierbar herstellen zu können. Die Untersuchungen zeigen, dass mittels großvolumigem Schmelzschichtens hergestellte Bauteile deutlich bessere Festigkeitseigenschaften als Bauteile filamentbasierter Verfahren aufweisen. Dies äußert sich besonders im Zwischenlagenverbund entlang der Aufbaurichtung. Durch die gezielte Einbringung von Wärmeenergie mittels Infrarotstrahlung in den additiven Herstellungsprozess können sowohl die Kontaktzone zwischen aufeinander geschichteten Strängen vergrößert, als auch verfahrensbedingte Hohlräume um bis zu 57 % reduziert werden. Die Erhöhung der Biegefestigkeit, die Verminderung der Kerbwirkung zwischen den Einzelschichten sowie eine dichtere Strangablage führen zu einer Annäherung an isotrope Bauteileigenschaften. Um den laserbasierten Temperiervorgang entsprechend des Extrusionspfades nachzuführen, wird unter Anwendung des Konstruktiven Entwicklungsprozesses eine richtungsvariable Lasertemperierung entwickelt und erprobt. Dadurch gelingt es den Lasertemperierprozess auch für komplexe Bauteilgeometrien zu optimieren. Die mechanischen Bauteileigenschaften erfahren hierdurch eine deutliche Verbesserung. Besonders im Hinblick auf die laterale Stranganbindung ist, im Vergleich zum großvolumigen Schmelzschichtprozess ohne Verwendung eines Lasersystems, eine Steigerung der Biegefestigkeit um das bis zu 8,6-fache zu verzeichnen.

Die stetig voranschreitende Entwicklung im Bereich der Fertigung optischer und elektronischer Elemente auf Basis von Nanotechnologien führt seit Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Nanomess- und Nanofabrikationsmaschinen (The International Roadmap For Devices And Systems, IEEE, 2020; C. Grant Willson and B. J. Roman, “The future of lithography: SEMATECH litho forum 2008,” ASC Nano , vol. 2, no. 7, pp. 1323-1328, 2008). Als technologisch besonders anspruchsvoll hat sich dabei die Fabrikation auf stark geneigten, gekrümmten, asphärischen und freigeformten Oberflächen herausgestellt (R. Schachtschneider, et al., “Interlaboratory comparison measurements of aspheres,” Meas. Sci. Technol. , vol. 29, no. 13pp, p. 055010, 2018). Aufbauend auf den zukunftsweisenden Entwicklungen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm - Tech. Mess. , vol. 67, nos. 7-8, pp. 319-323, 2000) und der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 - sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference , 2017), wird an der Technischen Universität Ilmenau seit mehreren Jahren an Konzepten für NPMM mit erhöhtem Freiheitsgrad geforscht (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). So besitzt der seit 2020 entwickelte Demonstrator NMM-5D (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm - Tech. Mess. , vol. 37, nos. 1-10, 2022) neben dem kartesischen Verfahrbereich von 25mm × 25mm × 5mm zusätzlich ein Rotationsvermögen des Tools von 360˚ sowie ein Neigungsvermögen von 50˚. Imfolgenden Artikel wird davon ausgehend die mechanische und metrologische Charakterisierung der parallelkinematisch aktuierten Rotationserweiterung präsentiert. Hierbei konzentrieren sich durchgeführte Untersuchungen primär auf die kinematisch verursachten Abweichungen des Tool Center Point (TCP) sowie die Detektierung dieser Abweichungen mit einem interferometrischen In-situ -Referenzmesssystem. Darüber kann perspektivisch eine geregelte Kompensation der auftretenden TCP-Abweichungen erfolgen.

Multidimensional positioning, measuring and manipulation with a spatial resolution in the subatomic range are an upcoming demand in the area of nanotechnology. Nanopositioning and measuring machines (NMM) enable to measure and manipulate objects within a large addressable 3D-range of up to a few hundred millimetre in each dimension with a specified spatial resolution of down to 0.1 nm [1]. New approaches are needed to extend the potential of NMM technology to even smaller scales. In previous work [2] a proof-of-concept positioning system has been designed to achieve reproducibility and resolution for precise motion on subatomic scale. In a first approach, a scanning probe microscope will be used to measure a nanosized periodic lattice that serves as a scale for the position according to [3]. Here, we present a microsystem design with an addressable positioning range of ±100 μm that will carry the lattice structure. In order to precisely control the motion, the electrostatic drive and position sensor characteristics of the demonstrator must be calibrated thoroughly by means of an optical measuring system. A focused, range-resolved fibre-optic laser interferometer is comprised as the calibration standard. An uncertainty estimation for the measurement setup is carried out. It is shown that the desired positioning accuracy for the first tip- and grating-based setup can be achieved with the presented microsystems.

A new Kibble balance is being built at the National Institute of Standards and Technology (NIST). For the first time in one of the highly accurate versions of this type of balance, a single flexure mechanism is used for both modes of operation: the weighing mode and the velocity mode. The mechanism is at the core of the new balance design as it represents a paradigm shift for NIST away from using knife edge-based balance mechanisms, which exhibit hysteresis in the measurement procedure of the weighing mode. Mechanical hysteresis may be a limiting factor in the performance of highly accurate Kibble balances approaching single digit nanonewton repeatability on a nominal 100 g mass, as targeted in this work. Flexure-based mechanisms are known to have very good static hysteresis when used as a null detector. However, for larger and especially longer lasting deformations, flexures are known to exhibit anelastic drift. We seek to characterize, and ideally compensate for, this anelastic behavior after deflections during the velocity mode to enable a 10 accurate Kibble balancemeasurement on a nominal 100 g mass artifact with a single flexure-based balance mechanism.