AddiSim: Phänomenologische Auslegungsstrategie für additiv gefertigte Kunststoffbauteile

Additiv gefertigte Bauteile sicher und leichtbaugerecht entwickeln unter Berücksichtigung prozessspezifischer Materialeigenschaften

Im Projekt AddiSim des LBF wird eine systematische, anwendungsgerechte Auslegungsstrategie für SLS Kunststoffbauteile entwickelt.

Herausforderung: Komplexes Materialverhalten

Der Anteil additiv gefertigter thermoplastischer Kunststoffbauteile in lasttragenden Systemen steigt zunehmend. Prozessbedingt stellt sich ein äußerst komplexes Materialverhalten ein. Für eine materialgerechte Auslegung im Kontext von Leichtbauanwendungen ist die Berücksichtigung der inhomogenen Eigenschaften erforderlich.

Vorgehensweise

In der Gruppe Mechanik und Simulation des Fraunhofer LBF startet ein neues Forschungsprojekt mit dem Ziel der Entwicklung einer systematischen Auslegungsstrategie für additiv gefertigte Kunststoffbauteile mit dem SLS-Verfahren, welche die Berücksichtigung der prozessbedingten Eigenschaften in Bezug auf das mechanische Verhalten erlaubt. Im Projekt werden durch Vermessung des Fertigungsraums für relevante Prozessfenster, Materialeigenschaftskarten erstellt und Inhomogenitäten erfasst. Über die Eigenschaftskarte werden für die Auslegung von SLS-gefertigten Bauteilen lokale Materialparameter abgeleitet, die in der Struktursimulation einbezogen werden können. Zur Projektdurchführung werden verschiedene Kompetenzen des LBF gebündelt:

  • Methodenentwicklung für die mechanische Auslegung von Leichtbauteilen
  • Mechanische Analyse lokaler Eigenschaften von Kunststoffbauteilen
  • Expertise zu Kunststoff-Materialien und -Verarbeitungsprozessen
  • Additive Fertigung

Additiv gefertigte Bauteile sicher und leichtbaugerecht  

Ziel ist es aus den Ergebnissen eine pragmatische, anwendungsgerechte Methode zu erarbeiten. Diese wird es industriellen Anwendern, vor allem KMUs erlauben, Prozesseinflüsse implizit in der Bauteilauslegung zu berücksichtigen. Damit ist es möglich, additiv gefertigte Bauteile sicherer und leichtbaugerechter zu entwickeln.

Zwischenstand und -ergebnisse des Projekts

Der Druckvorgang

Nachdem die Bauteile in der Druckkammer über die entsprechende Software virtuell platziert wurden und der Druckvorgang abgeschlossen ist, wird der Pulverkuchen nach dem Abkühlen in die Auspackstation gestellt (Bild mit Ziffer 1). Dort werden die einzelnen Bauteile aus dem losen Pulver herausgelöst. Das bauteil-ferne Pulver kann als Rezyklat wieder verwendet werden. Die Teile werden dann mit Druckluft und Glasperlen bestrahlt und von anhaftenden Pulverrückständen befreit (Bild mit Ziffer 2). Abschließend werden die Bauteile mit Wasser abgewaschen (Bild mit Ziffer 3) um loses Pulver zu binden und mit Luft trocken geblasen.

Maßhaltigkeit und Druckgenauigkeit

Alle gedruckten Probekörper wurden vermessen. Aufgenommen wurden die Dicke und Breite des Probekörpers an je zwei unterschiedlichen Stellen, sowie die Gesamtlänge. Es hat sich gezeigt, dass die Maßhaltigkeit in der Druckebene deutlich höher ist als in Aufbaurichtung. Diesem Phänomen kann über einen einstellbaren Schwindungsausgleich in den Druckereigenschaften entgegengewirkt werden.

Untersuchungen zum mechanischen Verhalten getemperter und unterschiedlich nachbehandelter Proben

Es zeigte sich, dass das Tempern der Zugproben einen kleinen Einfluss auf die Spannungs-Dehnungs-Kurven hat.
Für die Studie der Nachbehandlungsmethoden wurden unbehandelte und standard-behandelte Probekörper mit Probekörpern, eine längere Glasperlenbestrahlung und eine Reinigung im Ultraschallbad erfahren haben verglichen. Diese unterschiedlichen Methoden haben einen Einfluss auf die Spannungs-Dehnungs-Kurven, insbesondere beeinflusst das Glasperlenbestrahlen die maximale Spannung.

Untersuchungen zum mechanischen Verhalten abhängig der Orientierung und Position der Zugprobekörper im Bauraum

Bisher konnte unterschiedliches Spannungs-Dehnungs-Verhalten abhängig der Orientierung des Probekörpers im Bauraum nachgewiesen werden. Eine Abhängigkeit des mechanischen Verhaltens von der Position der Probekörper im Bauraum wurde bisher nicht gefunden.

Interessiert?

 

Bei Interesse können Sie jederzeit Kontakt zu Tamara van Roo aufnehmen.