Prediction of PA12 melt viscosity in Laser Sintering by a Time and Temperature dependent rheological model

Ein auf Basis von Prozessdaten kalibriertes Viskositätsmodell wird vorgeschlagen und zur Vorhersage der Viskosität einer Polyamid 12 (PA12) Kunststoffschmelze als Funktion von Zeit, Temperatur und Schergeschwindigkeit angewandt. Im ersten Schritt wurde das Viskositätsmodell aus experimentellen Daten abgeleitet. Es beruht hauptsächlich auf dem drei-parametrigen Ansatz von Carreau, wobei zwei zusätzliche Verschiebungsfaktoren eingesetzt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wird mithilfe des Verschiebungsfaktors aT von Arrhenius berücksichtigt. Ein weiterer Verschiebungsfaktor aSC (Structural Change) wird eingeführt, der die Strukturänderung von PA12 als Folge der Prozessbedingungen beim Lasersintern beschreibt. Beobachtet wurde die Strukturänderung in Form einer signifikanten Viskositätserhöhung. Es wurde geschlussfolgert, dass diese Viskositätserhöhung auf einen Molmassenaufbau zurückzuführen ist und als Nachkondensation verstanden werden kann. Abhängig von den Zeit- und Temperaturbedingungen wurde festgestellt, dass die Viskosität als Folge des Molmassenaufbaus exponentiell gegen eine irreversible Grenze strebt. Die Geschwindigkeit dieser Nachkondensation ist zeit- und temperaturabhängig. Es wird angenommen, dass die Pulverbetttemperatur einen Molmassenaufbau verursacht und es damit zur Kettenverlängerung kommt. Dieser fortschreitende Prozess der zunehmenden Kettenlängen setzt molekulare Beweglichkeit herab und unterbindet die weitere Nachkondensation. Der Verschiebungsfaktor aSC drückt diese physikalisch-chemische Modellvorstellung aus und beinhaltet zwei zusätzliche Parameter. Der Parameter aSC,UL entspricht der oberen Viskositätsgrenze, wohingegen k0 die Strukturänderungsrate angibt. Es wurde weiterhin festgestellt, dass es folglich nützlich ist zwischen einer Fließaktivierungsenergie und einer Strukturänderungsaktivierungsenergie für die Berechnung von aT und aSC zu unterscheiden. Die Optimierung der Modellparameter erfolgte mithilfe eines genetischen Algorithmus. Zwischen berechneten und gemessenen Viskositäten wurde eine gute Übereinstimmung gefunden, so dass das Viskositätsmodell in der Lage ist die Viskosität einer PA12 Kunststoffschmelze als Folge eines kombinierten Lasersinter Zeit- und Temperatureinflusses vorherzusagen. Das Modell wurde im zweiten Schritt angewandt, um die Viskosität während des Lasersinter-Prozesses in Abhängigkeit von der Energiedichte zu berechnen. Hierzu wurden Prozessdaten, wie Schmelzetemperatur und Belichtungszeit benutzt, die mithilfe einer High-Speed Thermografiekamera on-line gemessen wurden. Abschließend wurde der Einfluss der Strukturänderung auf das Viskositätsniveau im Prozess aufgezeigt.

Vom Metallpulver zum Gesenk Bauteil

Zur schnellen Herstellung von Metallteilen eignen sich die schichtweise Rapid Prototyping Verfahren. Zum einen ist die direkte Herstellung aus Zweikomponenten-Metallpulver möglich, zum anderen lassen sich aus Kunststoffüberzogenen Metallpulvern durch Infiltration komplexe Metallteile fertigen. Der Vortrag beschreibt die Prozessketten der beiden Verfahren und stellt ihre besonderen Eigenschaften gegenüber. Anhand von Praxisbeispielen wird die tatsächliche Leistungsfähigkeit beider Verfahren aufgeführt. Es werden die beiden Verfahren “Direct Metal Laser Sintering“ (DMLS) und “Indirect Metal Laser Sintering“ (IMLS) zur Herstellung von Gesenken und Bauteilen vorgestellt. Das “Direct Metal Laser Sintering“ wird in Zusammenarbeit mit der Fa. Daimler-Chrysler vorgestellt, die mit ihrer EOS Sinteranlage ein Benchmarkwerkzeug mit konturnaher Kühlung gefertigt haben. Das “Indirect Metal Laser Sintering“ wird an der Universität Duisburg-Essen angewandt. Hier wurden diverse Bauteile bzw. Gesenke in Zusammenarbeit mit der Fa. Powercut oder dem ZBT hergestellt.

Thermographie zur Temperaturmessung beim Laser-Sintern – ein Beitrag zur Qualitätssicherung?

Beim Laser-Sintern wird das Pulverbett durch Heizstrahler vorgeheizt, um an der Pulveroberfläche eine Temperatur knapp unterhalb des Materialschmelzpunktes zu erzielen. Dabei soll die Temperaturverteilung auf der Oberfläche möglichst homogen sein, um gleiche Bauteileigenschaften im gesamten Bauraum zu erzielen und den Bauteilverzug gering zu halten. Erfahrungen zeigen jedoch sehr inhomogene Temperaturverteilungen, weshalb oftmals die Integration von neuen oder optimierten Prozessüberwachungssystemen in die Anlagen gefordert wird. Ein potentiell einsetzbares System sind Thermographiekameras, welche die flächige Aufnahme von Oberflächentemperaturen und somit Aussagen über die Temperaturen an der Pulverbettoberfläche erlauben. Dadurch lassen sich kalte Bereiche auf der Oberfläche identifizieren und bei der Prozessvorbereitung berücksichtigen. Gleichzeitig ermöglicht die Thermografie eine Beobachtung der Temperaturen beim Lasereingriff und somit das Ableiten von Zusammenhängen zwischen Prozessparametern und Schmelzetemperaturen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde ein IR-Kamerasystem erfolgreich als Festeinbau in eine Laser-Sinteranlage integriert und Lösungen für die hierbei auftretenden Probleme erarbeitet. Anschließend wurden Untersuchungen zur Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie zu den Einflussfaktoren auf deren Homogenität durchgeführt. In weiteren Untersuchungen wurden die Schmelzetemperaturen in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter ermittelt. Auf Basis dieser Messergebnisse wurden Aussagen über erforderliche Optimierungen getroffen und die Nutzbarkeit der Thermografie beim Laser-Sintern zur Prozessüberwachung, -regelung sowie zur Anlagenwartung als erster Zwischenstand der Untersuchungen bewertet.

Ursachen für eine mangelnde Reproduzierbarkeit beim Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen

Das Laser-Sintern hat sich in den letzten Jahren zunehmend als Kleinserienfertigungsverfahren für Kunststoffbauteile etabliert. Dennoch entspricht die Bauteilqualität aufgrund von Verzug oder mangelnder Reproduzierbarkeit der Eigenschaften oftmals nicht den Anforderungen. Ein Grund hierfür ist die inhomogene Temperaturführung während des Prozesses. So ergeben sich aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten im Pulverbett zum Teil deutliche lokale Unterschiede im Temperatur-Zeit-Verhalten. Grundlegende Untersuchungen zu diesen Effekten fehlen jedoch bislang. Im Rahmen der dargestellten Untersuchungen gilt es daher zum einen die Reproduzierbarkeit verschiedener Laser-Sinter-Anlagen in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften, die Maßhaltigkeit und die Bauteildichte zu analysieren und zum anderen diese Ergebnisse mit den lokalen Temperatur- und Abkühlbedingungen im Pulverbett zu korrelieren. Dabei werden durch thermografische Untersuchungen die Temperaturverteilung an der Pulverbett-oberfläche charakterisiert sowie durch Einsatz entsprechender Funk-Temperatur-messsensorik die lokalen Abkühlbedingungen von Bauteilen innerhalb des Pulverbettes analysiert. Diese lokalen Temperatur- und Abkühlbedingungen sollen anschließend mit positionsabhängigen Analysen zum Bauteilschrumpf korreliert werden. Abschließend werden Optimierungspotentiale für ein neuentwickeltes Temperaturführungssystem mit homogeneren Temperatur- und Abkühlbedingungen abgeleitet.

Rapid Manufacturing - auch mit SLM

Rapid Manufacturing (RM) wurde als Schlagwort in der letzten Zeit insbesondere aus dem Bereich des Selective Laser Sintering (SLS) bekannt. In dieser inzwischen über 15-jährigen Technologieentwicklung wurden in den vergangenen Jahren bedeutende Fortschritte erzielt, die die Bauteileigenschaften nahe an die Anforderungen für End-Teile heran brachten. So ist das RM denn auch weniger aus der Sicht grösserer Losgrösse zu verstehen. Viel mehr bedeutet Rapid Manufacturing, dass die Bauteile nach einer generativen Fertigung direkt im Endprodukt resp. der Endanwendung zum Einsatz kommt. Das Selective Laser Melting, mit welchem aus metallischen Pulvermaterialien direkt Metallteile in Standardmaterialien hergestellt werden können, ist aufgrund der guten Materialeigenschaften für RM prädestiniert. In den ersten Anwendungsfeldern des SLM–Verfahrens standen die Herstellung von Werkzeugeinsätzen mit konturnaher Kühlung (Conformal Cooling) im Vordergrund, wobei diese Werkzeuge unter dem Begriff RM verstanden werden müssen, da die Werkzeuge direkt für die Endanwendung - den Spritzgussprozess - verwendet werden. Aktuelle Trends gehen jedoch in Richtung der Fertigung von Funktionsteilen z.B. für den Maschinenbau. Obwohl sich in der Fertigung komplexer Funktionsteile noch Probleme, z.B. mit in Bezug auf die generative Baurichtung überhängender Bauteilstrukturen ergeben, zeigen sich trotzdem erhebliche Vorteile eines RM mittels SLM. Neben klaren Vorteilen durch das mögliche Customizing von Bauteilen können bei kleineren Bauteilgrössen auch erhebliche Kostenvorteile erzielt werden. Allerdings zeigen die Grenzen der aktuellen Möglichkeiten, in welchen Bereichen das SLM-Verfahren weiterer Entwicklung bedarf. Themen wie Produktivität, die Problematik der nach wie vor notwendigen Supportstrukturen wie auch Qualitätssicherung müssen in den nächsten Jahren angegangen werden, wenn dieses Verfahren den Schritt hin zu einem etablierten Produktionsverfahren und damit zu breiterer Akzeptanz und Anwendung finden soll

Selektives Lasersintern von teilkristallinen Thermoplasten

Da eine flexible Fertigung im Bereich von Losgrößen zwischen 1-1000 Stück in vielen Wirtschaftszweigen vermehrt an Bedeutung gewinnt, steigt das Interesse an Verfahren wie dem Selektiven Lasersintern. Dennoch sollen die Eigenschaften von in Serie eingesetzten Werkstoffen erreicht werden. Aufgrund der bestehenden werkstofflichen Restriktionen auf Polyamid 12 wird aktuell an der Verarbeitung anderer teilkristalliner Thermoplaste geforscht. In diesem Beitrag werden die sich in der Markteinführung befindlichen Werkstoffe vorgestellt und basierend auf der Verarbeitung weiterer Thermoplaste die bestehende Modellvorstellung zum Lasersintern erweitert.

Trends and Expertise Exchange within Rapid Manufacturing in Europe

Rapid Manufacturing (RM) umfasst den Begriff der direkten und wirtschaftlichen Bauteilherstellung des Serienprodukts aus 3D-Daten. Die Hauptvorteile sind u.a. das Wegfallen von Werkzeugen und eine Designfreiheit in der Produktentwicklung, die noch vor wenigen Jahren undenkbar war. Wenngleich heute eine Vielzahl von Werkstoffen im Kunststoff- und Metallbereich einsetzbar sind, konzentriert sich die Verbreitung des RM allerdings auf besondere Technologie- und Wirtschaftszweige, aufgrund mangelnder Erfahrungswerte, teilweise abweichender Werkstoffeigenschaften, fehlender Standards und ungeeigneter Testmethoden. In der Praxis sind Ingenieure und Techniker stark darauf bedacht, auf etablierte Abläufe und Standards zurückzugreifen. Es ist daher schwer einen geeigneten RM-Prozess aufzubauen, wo wichtige Eingangsgrößen meist unbekannt sind. In diesem Bericht wird beschrieben, welche Informationskanäle es innerhalb Europas zum Thema RM gibt und welche Hochschulen und Forschungszentren Aktivitäten aufweisen. Darüber hinaus werden Anwendungsfelder des RM aufgeführt, die über die bekannten Anwendungsfelder hinaus gehen. Dazu gehören Anwendungen im Bereich der Elektrotechnik, Raumfahrtinstrumentation und der Mode. Obwohl nicht alle Anwendungen des RM in diesem Bericht aufgeführt werden, sind einige Schlüsselinformationen im Bereich innovativer Anwendungen von RM enthalten.

Properties comparison of Injected and SLS material

Most of the plastic injection companies are focused in the production of some products with a high exigency standard levels. That is why, to compete and gain some market share in front of the concurrency of companies from other countries, they need to be able to introduce new rapid prototyping techniques and product development.

Potenzial des Laserstrahlsinterns von PEEK zur Erzeugung kleiner Bauteilstrukturen

Durch die neuen systemtechnischen Möglichkeiten erfährt das Laserstrahlsintern von Polyaryletherketonen wie PEK oder PEEK zunehmendes industrielles Interesse. Neben der höheren Festigkeit, Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit z. B. laserstrahlgesinterter PEEK Bauteile gegenüber den bisher für Funktionsprototypen und für das Rapid Manufacturing eingesetzten Polyamidbauteilen sind Fragen nach der erzielbaren Bauteilgenauigkeit und des minimal möglichen Auflösungsvermögens insbesondere für die Fertigung kleiner Bauteile von besonderer Bedeutung. In diesem Beitrag werden die Abhängigkeiten der Einflussgrößen Schwund und Strahlweite von den wichtigsten Prozessführungsgrößen untersucht und die Möglichkeiten und Grenzen zur Erzeugung kleiner Bauteilstrukturen mittels Laserstrahlsintern von PEEK aufgezeigt.

Untersuchung der Materialalterung bei pulverbasierten Schichtbauverfahren

Additive, pulverbasierte Schichtbauverfahren, wie das Selektive Masken- oder La-sersintern, ermöglichen die Fertigung von komplexen Bauteilen ohne Werkzeug und Form. Aufgrund der hohen, verarbeitungsbedingten Bauraumtemperaturen kommt es während der Verarbeitung zu physikalischem und thermisch-oxidativem Abbau der eingesetzten Kunststoffpulver. Das im Bauraum nicht aufgeschmolzene Material, der so genannte Partcake, kann nach dem Bauprozess vom fertigen Bauteil entfernt und für weitere Bauprozesse verwendet werden. Zur Realisierung reproduzierbarer Bau-teileigenschaften ist jedoch eine Aufbereitung („Refreshen“) des Partcake-Pulvers notwendig. Im Rahmen des Beitrags werden Erkenntnisse zum Alterungsverhalten von Kunst-stoffpulvern vorgestellt. In einem Modellversuch wurde der Verarbeitungsprozess für PA12-Pulver nachgestellt und somit verschiedene Alterungsstufen generiert. Beson-deres Augenmerk wurde auf den Einfluss einer Materialvorbehandlung gelegt. Die gealterten Pulver wurden physikalisch und thermoanalytisch hinsichtlich ihrer verar-beitungsrelevanten Materialeigenschaften untersucht.

Selektives Lasersintern von teilkristallinen Thermoplasten

Da eine flexible Fertigung im Bereich von Losgrößen zwischen 1-1000 Stück in vielen Wirtschaftszweigen vermehrt an Bedeutung gewinnt, steigt das Interesse an Verfahren wie dem Selektiven Lasersintern. Dennoch sollen die Eigenschaften von in Serie eingesetzten Werkstoffen erreicht werden. Aufgrund der bestehenden werkstofflichen Restriktionen auf Polyamid 12 wird aktuell an der Verarbeitung anderer teilkristalliner Thermoplaste geforscht. In diesem Beitrag werden die sich in der Markteinführung befindlichen Werkstoffe vorgestellt und basierend auf der Verarbeitung weiterer Thermoplaste die bestehende Modellvorstellung zum Lasersintern erweitert.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung von strömungsmechanischen Funktionsprototypen mittels Rapid Manufacturing

Bei der Fertigung von Funktionsbauteilen für Strömungsversuche spielt das Design und die Komplexität der Bauteilgeometrie eine wesentliche Rolle. Ziel der interdisziplinären Zusammenarbeit der Lehrstühle Strömungsmaschinen, Rechnereinsatz in der Konstruktion und Fertigungstechnik mit dem Rapid Technology Center (RTC) an der Universität Duisburg-Essen ist es, das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Funktionsprototypen für strömungsmechanische Anwendungen effektiv zu nutzen. An verschiedenen, auf dieser Kooperation beruhenden, Best Practise Beispielen wird gezeigt wie das Laser-Sintern in die Prozesskette zur Herstellung von Laufrädern u. Ä. in unterschiedlichen Größenordnungen integriert werden kann. In diesem Zusammenhang werden auch die Vorüberlegungen (z. B. durch Simulation), Wechselwirkungen und Folgeprozesse, die mit dieser Fertigungstechnologie verbunden sind, aufgezeigt.

Ansätze zur Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren durch die Einführung eines Kennzahlensystems

Generative Fertigungsverfahren haben sich in den letzten Jahren als effektive Werkzeuge für die schnelle Entwicklung von Produkten nahezu beliebiger Komplexität entwickelt. Gleichzeitig wird gefordert, die Reproduzierbarkeit der Bauteile und auch seriennahe bzw. seriengleiche Eigenschaften zu gewährleisten. Die Vielfalt und der Umfang der Anwendungen sowie die große Anzahl verschiedener generativer Fertigungsverfahren verlangen adäquate Qualitätsüberwachungs- und Qualitätskontrollsysteme. Ein Lösungsansatz für die Qualitätsbewertung von generativen Fertigungsverfahren besteht in der Einführung eines Kennzahlensystems. Hierzu müssen zunächst Anforderungsprofile und Qualitätsmerkmale für generativ hergestellte Bauteile definiert werden, welche durch Prüfkörpergeometrien abgebildet und mit Hilfe von Einzelkennzahlen klassifiziert werden. In Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde die Qualitätsbewertung anhand von Prüfkörpergeometrien am Beispiel des Laser-Sinterprozesses qualifiziert. Durch Beeinflussung der Prozessparameter, d.h. der gezielten Einbringung von Störgrößen, welche einzeln oder in Kombination zu unzulässigen Qualitätsschwankungen führen können, ist es möglich, die Qualität des Produktes zu beurteilen. Die Definition von Einzelkennzahlen, die eine Steuerung und Kontrolle sowie eine Vorhersage potentieller Fehler ermöglicht, bietet hierbei essentielle Möglichkeiten zur Qualitätsbewertung. Eine Zusammenführung zu einem gesamtheitlichen Kennzahlensystem soll zum einen den Prozess auf Grundlage der definierten Anforderungsprofile bewerten und zum anderen einen direkten Zusammenhang der ausgewählten Störgrößen und Prozessgrößen herleiten, um vorab eine Aussage über die Bauteilqualität treffen zu können.