Entwicklung einer Prozessmodifikation für teilkristalline Thermoplaste im Fused Layer Modeling

Abstract

Das Fused-Layer-Modeling (FLM)-Verfahren ist ein kosteneffizientes und vergleichsweise schnelles additives Fertigungsverfahren zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe. Insbesondere bei der Verarbeitung von teilkristallinen Thermoplasten kommt es zu verfahrensbedingten Mängeln, wie einem mangelhaften Lagenverbund und hohen Formabweichungen infolge von Materialschwindung und Verzug. In der vorliegenden Arbeit wird diese Problemstellung anhand des Standes der Technik analysiert sowie eine Zielsetzung und ein Vorgehen zur Lösung abgeleitet. Der Lagenverbund hängt ebenso wie die Materialschwindung von den temperaturgetriebenen Verschweißungs- und Kristallisationsprozessen der Materialextrusion ab. Durch die lokale Laservorwärmung des Substrats soll die Verschweißung zwischen den Lagen gefördert werden. Gleichzeitig wird untersucht, ob der Kristallisationsprozess und die damit verbundene Materialschwindung durch die intensive lokal begrenzte Kühlung der abgelegten Schmelze beeinflusst wird. Es ist ein rotatorischer Druckkopf entwickelt und vollfunktional in den 2,5-dimensionalen FLM-Prozess integriert worden. Auf zwei unabhängig voneinander rotierenden Achsen werden ein Lasermodul zur Vorwärmung des Substrats und ein Druckluftkühler zur gerichteten Kühlung der Schmelze um die Extrusionsdüse geführt. Um diesen modifizierten FLM-Prozess zu charakterisieren, werden die Zielgrößen Bauteilverzug und Lagenverbund in Abhängigkeit der Einflussfaktoren Drucktemperatur, Laserleistung, Kühlluftdruck und Layerzeit für den teilkristallinen Werkstoff Polyamid 12 (PA12) empirisch untersucht. Die Versuchsdurchführung beinhaltet die statistische Versuchsplanung, die Entwicklung geeigneter Untersuchungs- und Prüfmethoden, die Probenfertigung und -nachbearbeitung sowie die Bauteilprüfung und statistische Ergebnisauswertung. Mit dem modifizierten FLM-Prozess kann die Verarbeitung von PA12 optimiert werden. Insbesondere kann der Lagenverbund erhöht, der Verzug um bis zu 44% verringert und die Anisotropie herabgesetzt werden. Darüber hinaus wird die Abhängigkeit gegenüber Prozessparametern, wie der Extrusions-, Druckbett- und Bauraumtemperatur sowie dem Störeinfluss der Layerzeit gemindert. So können Extrusions- und Druckbetttemperaturen ohne Festigkeitsverlust gesenkt werden. Durch die Laservorwärmung werden hohe Layerzeiten großer Bauteile kompensiert und ein hoher Lagenverbund erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Umsetzbarkeit und das enorme Potential des modifizierten FLM-Prozesses auf und liefern die Grundlage für weiterführende Forschung sowie für den Technologietransfer zu einem optimierten industriellen FLM-Verarbeitungsprozess für teilkristalline Thermoplaste.

The FLM-process is a cost-efficient and comparatively fast additive manufacturing process for processing thermoplastics. Particularly in the processing of semi-crystalline thermoplastics, process-related deficiencies occur, such as a defective layer-bond and high deviations in shape due to material shrinkage and warpage. In the presented work, this problem is analysed on the basis of the state of the art, goals and an approach for the solution are derived. The layer bonding as well as the material shrinkage depends on the temperature-driven welding and crystallisation processes of the material extrusion. Local laser preheating of the substrate is intended to promote the welding between the layers. At the same time, it is investigated whether the crystallisation process and the associated material shrinkage is influenced by the intensive localised cooling of the deposited melt. A rotary print head has been developed and fully functionally integrated into the 2,5- dimensional FLM-process. A laser module for preheating the substrate and a compressed air cooler for directional cooling of the melt are guided around the extrusion nozzle on two independently rotating axes. In order to characterise this modified FLM-process, the target parameters component distortion and layer-bonding are empirically investigated as a function of the influencing factors nozzle temperature, laser power, cooling air pressure and layer time for the semi-crystalline material polyamide 12 (PA12). The experimental procedure includes the design of experiments, the development of suitable investigation and testing methods, the sample production and post-processing as well as the component testing and statistical evaluation of the results. With the modified FLM-process, the processing of PA12 can be optimised. In particular, the layer bonding can be increased, the warpage can be reduced by up to 44% and the anisotropy can be decreased. Furthermore, the dependency on process parameters such as extrusion-, printbed- and chamber-temperature as well as the disturbing influence of the layer time is reduced. Thus, extrusion and print bed temperatures can be lowered without loss of strength. Laser preheating compensates for high layer times of large components and achieves a good layer-bonding. The results of this work show the feasibility and the enormous potential of the modified FLM-process and provide the basis for further research as well as for the technology transfer to an optimised industrial FLM-process for semi-crystalline thermoplastics.