Svenja Ehmsen

• Das Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (HS DED-LB) ist ein Verfahren der additiven Fertigung, bei dem Metallpulver durch einen Laserstrahl oberhalb der Substratoberfläche aufgeschmolzen und somit im flüssigen Aggregatszustand zum Geometrieaufbau aufgetragen wird. Aufgrund der zunehmenden Relevanz und Notwendigkeit von nachhaltigen Fertigungsverfahren gilt es, insbesondere junge Technologien hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen zu analysieren, um Verbesserungspotenziale zu identifizieren und eine Möglichkeit zur Einbeziehung der Umweltauswirkungen als Entscheidungsfaktor zur Prozessgestaltung zu schaffen. Ziel ist somit, die Umweltauswirkungen der Bauteilherstellung mittels HS DED-LB transparent zu machen, indem die individuelle Prognose des resultierenden kumulierten Energieaufwands (KEA) und Treibhausgaspotenzials (GWP) der Herstellung eines Bauteils von der Rohstoffgewinnung bis zum fertigen Produkt ermöglicht wird. Hierfür wird, ausgehend von einer energetischen Analyse des HS DED-LB-Fertigungssystems und -prozesses, zunächst ein Modell zur Prognose des Energiebedarfs, der während der Fertigung mittels HS DED-LB benötigt wird, entwickelt. Dieses Prognosemodell wird anschließend um die Stoffflüsse sowie um die dem HS DED-LB-Prozess vor- und nachgelagerten Prozessschritte der Rohmaterial- und Pulverherstellung sowie der Nachbearbeitung erweitert und mit Charakterisierungsfaktoren verknüpft, die nach der Methode der Ökobilanzierung erstellt werden. Hierdurch ist nun die prognostische Bestimmung des KEA sowie des GWP eines Bauteils, das mittels HS DED-LB gefertigt wird, entlang der gesamten Herstellungskette möglich. Die Analyse des KEA und des GWP der gesamten Prozesskette zeigen, dass in Abhängigkeit von der individuellen Prozessgestaltung alle vier Prozessschritte einen signifikanten Einfluss auf die betrachteten Wirkungskategorien aufweisen. Welcher Prozessschritt hierbei die größten Auswirkungen hat, ist individuell, sodass die Vernachlässigung eines oder mehrerer Prozessschritte zu einer unzureichenden Abbildung der resultierenden Umweltauswirkungen führen kann.
• High-Speed Laser Directed Energy Deposition (HS DED-LB) is an additive manufacturing process in which metal powder is melted by a laser beam above the substrate surface and deposited in a liquid state to create the part. Due to the increasing relevance and necessity of sustainable manufacturing processes, it is particularly important to analyze new technologies with regard to their environmental impact in order to identify potential for improvement and to create an opportunity to include environmental impact as a decision-making factor in process design. Thus, the aim of this work is to provide transparency on the environmental im-pact of the production of parts using HS DED-LB by allowing the individual prediction of the Cumulative Energy Demand (CED) and Global Warming Potential (GWP) of the manufacturing of a part from raw material extraction to the finished product. For this purpose, first a model is developed to predict the energy required during production using HS DED-LB, based on an energy analysis of the HS DED-LB manufacturing system and process. This predictive model is then extended to include the material flows and process steps upstream and downstream of the HS DED-LB process, including raw material production, powder production, and post-processing. They are then linked to characterization models developed using the Life Cycle Assessment method. This allows the predictive determination of the CED and GWP of a part manufactured using HS DED-LB along the entire process chain. The analysis of CED and GWP along the process chain shows that, depending on the individual process design and the part, all four process steps can have a significant influence on the impact categories analyzed. Which process step has the greatest impact depends on the individual case, so that neglecting one or more process steps leads to an inadequate representation of the resulting environmental impact.