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.

Mechanische Eigenschaften und Bruchverhalten maskengesinterter Kunststoffbauteile

Das selektive Maskensintern von Kunststoffen ermöglicht die flächige Belichtung des Bauraums, wodurch sich konstante, von der zu belichtenden Geometrie/Fläche unabhängige Zykluszeiten pro Schicht ergeben. Durch den Einsatz eines, über dem Bauraum platzierten, Infrarotstrahlerfeldes wird eine Modifikation des verarbeiteten Polyamid 12-Pulvers mit einem Absorber, hier Flammruß, notwendig. Bisher konnte gezeigt werden, dass Prototypen sowie wärmeleitfähige Kunststoffbauteile hergestellt werden können. Im Rahmen dieses Beitrags sollen die mechanischen Eigenschaften von SMS-Bauteilen betrachtet werden. Die Beeinflussung der mechanischen Kennwerte, durch variierende Materialeigenschaften sowie unterschiedliche Prozessparameter, werden ebenso wie die Richtungs-, Temperatur- und Belastungsartabhängigkeit, bei konstanten Material- und Prozessparametern, untersucht. Zur Charakterisierung des Bauteilversagens wurden Methoden wie die Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie eingesetzt und Bruchmechanismen abgeleitet.

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.

Lithographiebasierte Fertigung keramischer Bauteile

Im Rahmen des EU-Projektes PHOCAM entwickelt das beteiligte Konsortium Anlagen und Materialien für die generative Fertigung keramischer Bauteile auf Basis der Photopolymerisation. Das Kernelement der verwendeten Fertigungsanlagen, der DLP Projektor, erzeugt mittels leistungsstarker LEDs und einem 1080p DMD (Digital Micromirror Device) Bilder mit 1920x1080 Bildpunkten und der Pixelgröße von 40µm, woraus sich die Baufeldgröße von 76,8x43,2mm ergibt. Ein hochviskoser Schlicker, bestehen aus einem gefülltem fotosensitiven Harzsystem, wird von unten durch die gläserne Materialwanne belichtet, wodurch der Schlicker lokal aushärtet (polymerisiert). Auf diese Weise entsteht der Grünling, der in schichtbauweise (Standardschichtdicke von 25-50µm) aufgebaut ist. Im nachfolgenden Sinterprozess werden die Grünlinge zu den fertigen Keramikteilen gebrannt. Als keramisches Basismaterial für den Schlicker wurde vorwiegend Aluminiumoxid in Pulverform verwendet. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad (Keramikanteil) bis zu 50Vol% erfolgreich verarbeitet und zu Keramikteilen mit einer theoretischen Dichte von 99,6% gesintert werden.

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.

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.

Surface quality of profile extrusion dies manufactured by Selective Laser Melting

The design of plastics profile extrusion dies becomes increasingly more complex so that conventional manufacture processes reach their limit in the die manufacture. A feasible manufacture of arbitrarily designed dies is only possible by additive manufacturing. An especially promising process is hereby the Selective Laser Melting with which metal parts with series identical mechanical properties can be produced without the need for part specific tooling or downstream sintering processes. Disadvantegeous is, however, the relatively rough surface of additively manufactured parts. Against this background, the manufacturing of an profile extrusion die by Selective Laser Melting and the plastics profile surface quality, that can be achieved with such dies, is investigated. For this purpose, profiles are extruded both with an additively manufactured die and a conventionally milled sample of the same die geometry. In case of the additively manufactured die a concept for the surface finishing of the flow channel is required, which can be applied to arbitrarily shaped geometries. Therefore, two different reworking processes are applied only to the die land of the flow channel. The comparison of the surface roughnesses shows that the additively manufactured die with a polished die land delivers the same surface quality as the conventional die.

Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments – II. Bidirectional reflectance

We have measured the bidirectional reflectance of spherical micrometer-sized water-ice particles in the visible spectral range over a wide range of incidence and emission angles. The small ice spheres were produced by spraying fine water droplets directly into liquid nitrogen. The resulting mean particle radii are 1.47 + 0.96 - 0.58 μm. Such a material shares many properties with ice in comets and at the surface of icy satellites. Measurements show that the fresh sample material is highly backscattering, contrasting with natural terrestrial snow and frost. The formation of agglomerates of particles during the sample production results in a noticeable variability of the photometric properties of the samples in their initial state. We have also observed significant temporal evolutions of the scattering behavior of the samples, shifting towards more forward scattering within some tens of hours, resulting most likely from sintering processes. All reflectance data are fitted by the Hapke photometric model (1993 and 2002 formulation) with a one/two/three-parameter Henyey-Greenstein phase function and the resulting Hapke parameters are provided. These parameters can be used to compare laboratory results with the observed photometric behaviors of astronomical objects. We show, in particular, that the optical properties of the fresh micrometer-sized ice samples can be used to reproduce the predominant backscattering in the phase curves of Enceladus and Europa.

Atomistic Modeling of Effect of Mg on Oxygen Vacancy Diffusion in α-Alumina

Oxygen diffusion plays an important role in grain growth and densification during the sintering of alumina ceramics and governs high-temperature processes such as creep. The atomistic mechanism for oxygen diffusion in alumina is, however, still debated; atomistic calculations not being able to match experimentally determined activation energies for oxygen vacancy diffusion. These calculations are, however, usually performed for perfectly pure crystals, whereas virtually every experimental alumina sample contains a significant fraction of impurity/dopants ions. In this study, we use atomistic defect cluster and nudged elastic band (NEB) calculations to model the effect of Mg impurities/dopants on defect binding energies and migration barriers. We find that oxygen vacancies can form energetically favorable clusters with Mg, which reduces the number of mobile species and leads to an additional 1.5 eV energy barrier for the detachment of a single vacancy from Mg. The migration barriers of diffusive jumps change such that an enhanced concentration of oxygen vacancies is expected around Mg ions. Mg impurities were also found to cause destabilization of certain vacancy configurations as well as enhanced vacancy–vacancy interaction.

Tecnología cerámica : estudios experimentales sobre la cerámica del sitio arqueológico San Ignacio (Noroeste de Mendoza)

El propósito de este trabajo es explorar la disponibilidad de materias primas que pudieron ser utilizadas en el proceso de manufactura de la cerámica gris del sitio arqueológico San Ignacio, en el Valle de Potrerillos, ubicado al Norte de la provincia de Mendoza (640 dC). Se pretende, además, reproducir las técnicas de producción y cocción cerámica, a fin de obtener un producto de características análogas a las de la colección estudiada. La metodología utilizada presentó las siguientes etapas: recolección de materiales arcillosos; caracterización de las propiedades físicas en estado crudo; análisis químicos; desarrollo experimental de cocción y ensayos post-cocción de los mismos. Los productos obtenidos muestran una buena estructura y sinterización, aunque no se logró una atmósfera completamente reductora con este tipo de combustible.

OSIRIS observations of meter-sized exposures of H2O ice at the surface of 67P/Churyumov-Gerasimenko and interpretation using laboratory experiments

Since OSIRIS started acquiring high-resolution observations of the surface of the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, over one hundred meter-sized bright spots have been identified in numerous types of geomorphologic regions, but mostly located in areas receiving low insolation. The bright spots are either clustered, in debris fields close to decameter-high cliffs, or isolated without structural relation to the surrounding terrain. They can be up to ten times brighter than the average surface of the comet at visible wavelengths and display a significantly bluer spectrum. They do not exhibit significant changes over a period of a few weeks. All these observations are consistent with exposure of water ice at the surface of boulders produced by dislocation of the weakly consolidated layers that cover large areas of the nucleus. Laboratory experiments show that under simulated comet surface conditions, analog samples acquire a vertical stratification with an uppermost porous mantle of refractory dust overlaying a layer of hard ice formed by recondensation or sintering under the insulating dust mantle. The evolution of the visible spectrophotometric properties of samples during sublimation is consistent with the contrasts of brightness and color seen at the surface of the nucleus. Clustered bright spots are formed by the collapse of overhangs that is triggered by mass wasting of deeper layers. Isolated spots might be the result of the emission of boulders at low velocity that are redepositioned in other regions.

Microstructure, magnetic and mechanical properties of Ni-Zn ferrites prepared by Powder Injection Moulding

Nowadays, the electronic industry demands small and complex parts as a consequence of the miniaturization of electronic devices. Powder injection moulding (PIM) is an emerging technique for the manufacturing of magnetic ceramics. In this paper, we analyze the sintering process, between 900 °C and 1300 °C, of Ni–Zn ferrites prepared by PIM. In particular, the densification behaviour, microstructure and mechanical properties of samples with toroidal and bar geometry were analyzed at different temperatures. Additionally, the magnetic behaviour (complex permeability and magnetic losses factor) of these compacts was compared with that of samples prepared by conventional powder compaction. Finally, the mechanical behaviour (elastic modulus, flexure strength and fracture toughness) was analyzed as a function of the powder loading of feedstock. The final microstructure of prepared samples was correlated with the macroscopic behaviour. A good agreement was established between the densities and population of defects found in the materials depending on the sintering conditions. In general, the final mechanical and magnetic properties of PIM samples were enhanced relative those obtained by uniaxial compaction.