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.

Modellgestützte und hierarchische Prozesskettenbetrachtung für die additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren eignen sich für die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen im Bereich kleiner bis mittlerer Stückzahlen, da keine Formen oder Spezialwerkzeuge notwendig sind. Die erzielbaren Eigenschaften sind oftmals bereits ausreichend, um einen Einsatz auch in Serienanwendungen zu ermöglichen. Verbunden mit den Vorteilen der Technologie bezüglich einer hohen Flexibilität, sowohl während der Konstruktion als auch der Fertigung, können sich durch eine konsequente Nutzung finanzielle Einsparmöglichkeiten entlang des gesamten Produktlebenszyklus ergeben. Bezüglich der Wirtschaftlichkeit der Verfahren herrscht oftmals noch Unklarheit, da geeignete Methoden fehlen, um diese zu bewerten. Bestehende Methoden und Werkzeuge zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit konventioneller Fertigungsverfahren sind dabei für die additive Fertigung nicht direkt nutzbar. In dem Artikel wird eine Methode zur modellgestützten Abbildung einer gesamten additiven Fertigungskette vorgestellt, welche auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozesskettengliedern berücksichtigen soll. Eine konkrete Aussage bezüglich der Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung soll somit ermöglicht werden.

Besonderheiten bei der Auslegung und Gestaltung lasergesinterter Bauteile

Mit der Entwicklung der losgrößenunabhängigen, additiven Fertigungsverfahren eröffnen sich vollkommen neue Wege zur Realisierung von komplexen Integralbauteilen bei niedrigen Stückzahlen. Bei der Bauteilgestaltung müssen (verglichen mit traditionellen Herstellverfahren, beispielsweise Spritzgießen) weniger Fertigungsrestriktionen beachtet werden. Dennoch ist die Gestaltungsfreiheit nicht unbegrenzt. In diesem Beitrag werden basierend auf dem Gedanken des Fertigungsgerechten Konstruierens Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Gestaltung von additiv gefertigten Bauteilen herausgestellt. Darauf aufbauend werden Potenziale aufgezeigt, wie Produktentwickler in Zukunft bei der Auslegung und Gestaltung solcher Produkte unterstützt werden können.

rietzel

Die komplexen transienten thermischen Bauraumverhältnisse während der Schicht-generierung beim Lasersintern von Thermoplasten haben direkten Einfluss auf die resultierenden Bauteileigenschaften. Dies schlägt sich in Effekten wie dem „Curl“ oder Bauteilverzug nieder. Ohne Kenntnisse über die zeitlichen und örtlichen Tempe-raturverhältnisse im Bauraum können weder der gesamte Bauraum ausgenutzt, noch die späteren Bauteileigenschaften vorhergesagt werden. Folglich wird die Wirtschaft-lichkeit des Verfahrens im Hinblick auf einen Einsatz zur Serienproduktion begrenzt. Neben der experimentellen Erforschung der transienten thermischen Zustände wäh-rend des Lasersinterns ist die Modellbildung zur simulativen Abbildung ebendieser von großer Bedeutung. Dieser Beitrag stellt den grundlegenden Aufbau eines Simu-lationsmodells für die schichtweise Bauteilgenerierung dar und zeigt allgemeine Mo-dellierungsansätze für die charakteristischen thermischen Materialkennwerte von Pulvern auf. Weiterhin erfolgt anhand einer Parameterstudie eine Quantifizierung der Effekte einzelner Materialeigenschaften und Prozessstellgrößen auf die mittels finiter Elemente Methode berechneten Temperaturverhältnisse an einer Pulverschicht.

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.

Funktionalisierte Bauteile durch Selektives Maskensintern

Das Selektive Maskensintern ist ein neues, pulverbasiertes Additives Fertigungsverfahren. Das schichtweise aufgebrachte Kunststoffpulver wird hier flächig über einen Infrarotstrahler belichtet und aufgeschmolzen. Das Verfahren bietet ein großes Potential dreidimensionale, wärmeleitfähige Bauteile mit beliebiger Geometrie herzustellen. In diesem Beitrag wird darauf eingegangen, wie kommerziell erhältliches Polyamid 12-Pulver mit thermisch leitfähigen Füllstoffen, wie Aluminiumgrieß und Kupferkugeln, modifiziert und funktionalisierte Bauteile hergestellt werden können. Prozessrelevante Materialeigenschaften werden mittels Differential Scanning Kalorimetrie, Rotationsviskosimetrie und der Wärmeleitfähigkeit der modifizierten Pulver bestimmt. An den gefertigten Bauteilen wird die ausgebildete Morphologie, die mechanischen Eigenschaften als auch die Bauteilwärmeleitfähigkeit untersucht.

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.

Funktionsintegration im Werkzeugbau durch laseradditive Fertigung

Werkzeugbauer stellen anspruchsvolle Spritzgießwerkzeuge als Einzelanfertigung oder in kleiner Stückzahl her. Dabei unterliegen sie einem hohen Zeit- und Kostendruck durch die Forderung der Kunden nach einer kurzen Time-to-Market und der Konkurrenz aus Niedriglohnländern. Eine Innovation des Werkzeugbaus zur Reduzierung von Zeit und Kosten ist die Integration von zusätzlichen Funktionen in bestehende Komponenten. Am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der TU Hamburg-Harburg wurde in Zusammenarbeit mit Werkzeugbau Siegfried Hofmann und Concept Laser ein Druckluftauswerfersystem für Spritzgießwerkzeuge entwickelt. Dieses System kann klassische Auswerferstifte vollständig ersetzen. Die Integration von Druckluftauswerfern in laseradditiv gefertigte Werkzeugeinsätze mit konturnaher Kühlung erfolgt kostenneutral, da sich die Fertigungszeit des Einsatzes durch das zusätzliche System nicht verlängert und eine Druckluftsteuerung bereits in Spritzgießmaschinen vorhanden ist. Zusätzlich entfällt durch das Druckluftauswerfersystem das komplette mechanische Auswerferpaket. Durch diese Einsparungen reduzieren sich Zeit und Kosten für das Werkzeug.

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.

Vergleich von additiv und herkömmlich gefertigten Strukturen für ein neuartiges Regalfahrzeug

Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren ist in den vergangenen Jahren stark angestiegen. Technische Weiterentwicklungen der Maschinen machen den Einsatz dieser Fertigungsverfahren für Industrieanwen-dungen immer attraktiver. In einer Untersuchung am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML wurden die Einsatzmöglichkeiten additiver Fertigungsverfahren im Bereich autonomer Regalfahrzeuge analysiert. Die Adaption eines neuartigen Förderfahrzeuges für den Einsatz in Regalanlagen steht hierbei im Fokus der Untersuchung. Diese Analyse stellt die Besonderheiten der additiven Fertigung heraus und vergleicht den Herstellungsprozess mit herkömmlichen Verfahren.

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.

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.

Direkte generative Fertigung von Schmiedegesenken eröffnet neue Möglichkeiten

Umformwerkzeuge sind eine neue und bislang nicht erforschte Anwendung generativ gefertigter Werkzeuge. Der Vortrag präsentiert ein Fallbeispiel, bei dem ein typisches Schmiedeteil mit recht komplexer Geometrie erfolgreich unter Verwendung eines generativ gefertigten Schmiedegesenks hergestellt werden konnte. Die Marktanforderungen zur frühestmöglichen Verfügbarkeit echter Schmiedeteile werden dargestellt. Die gesamte Prozesskette von der 3D-CAD-Werkzeugkonstruktion über die Schmiedeprozesssimulation, das Laserstrahlschmelzen der Gesenkeinsätze und die Gesenkmontage bis hin zu den eigentlichen Schmiedeversuchen unter produktionsähnlichen Bedingungen wird dargestellt und mit konventioneller Schmiedegesenkkonstruktion und ‑fertigung verglichen. Die Vorteile und Besonderheiten der generativen Prozesskette werden herausgestellt. Die gefertigten Schmiedeteile werden hinsichtlich Formfüllung, Maßhaltigkeit und Gefüge mit konventionell geschmiedeten Teilen verglichen. Die Lieferzeit der generativ gefertigten Schmiedegesenke wird der von konventionell hergestellten gegenübergestellt, ebenso die Kosten, um die Vorteile des Einsatzes generativer Fertigung herauszustellen. Es werden Randbedingungen beschrieben, unter denen die generative Fertigung von Schmiedegesenken technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.

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.

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.