3D gedruckte Teile mit Orientierung

AddiSim: Phänomenologische Auslegungsstrategie für additiv gefertigte Kunststoffbauteile

Richtungsabhängige Materialeigenschaften von gedruckten Prüfkörpern

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

3D gedruckte Bauteile finden zunehmend auch in strukturellen Anwendungen Einsatz. In diesem Zusammenhang ist es relevant die mechanischen Eigenschaften detailliert beschreiben zu können, sowie für die Auslegung passende Methoden bereitzustellen. Im Projekt AddiSim werden diese Aspekte für selektiv lasergesinterten (SLS) PA12 Bauteile untersucht. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk in der Beschreibung des Einflusses der Positionierung und der Orientierung der Bauteile im Druckraum. In unterschiedlichen Ausrichtungen gedruckte, aber baugleiche Teile besitzen sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

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Abbildung 2
Abbildung 3: Absolute Abweichung zum Soll-Maß, Druckrichtung der Prüfkörper in Abhängigkeit der Orientierung (oben rechts)

Längenvermessung in Abhängigkeit von der Orientierung im Druckraum

Um das mechanische Materialverhalten detailliert lokal aufzulösen wird der Bauraum wird in 27 Mess-Zellen aufgeteilt, in denen je ein Zug-Prüfkörper in einer der drei Hauptrichtungen x, y und z des Druckers ausgerichtet liegt.

Alle gedruckten Probekörper werden hinsichtlich ihrer Maßabweichung vermessen. Aufgenommen wurden die Dicke, Breite und Länge jedes Probekörpers.

Die Längenvermessung ergibt eine absolute Abweichung von bis zu 0.3 mm (Bild 3). Die in x-Richtung orientierten Prüfkörper (grün) zeigen ihre größte Abweichung zum Sollmaß in den Dickenmaßen vor. Analog hierzu zeigen die in y-Richtung orientierten Probekörper (blau) ihre höchste Abweichung in der Breite und die in z-Richtung orientierten Probekörper (rot) in der Länge.

Es zeigt sich somit, dass die Maßhaltigkeit in der Druckebene deutlich höher ist als in Aufbaurichtung.

Abbildung 4: Spannung-Dehnungs-Diagramm der unterschiedlich orientierten Prüfkörper

Mechanisches Verhalten

Um das mechanische Verhalten der hergestellten Prüfkörper ermitteln und bewerten zu können, werden quasistatische Zugprüfungen durchgeführt.

Die Zugprüfungen zeigen im Bereich kleiner Dehnungen keine signifikante Abhängigkeit der Orientierung (Bild 4). Im nicht-linearen Bereich ist jedoch eine deutliche Abhängigkeit erkennbar. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven in x- und y-Richtung scheinen isotrop zu sein, wohingegen sich eine ausgeprägte Anisotropie in z-Richtung ausprägt. Die in z-Richtung orientierten Proben zeigen eine Reduktion der Bruchdehnung und maximaler Spannung im Vergleich zu den Probekörpern in x- und y-Richtung.

 

Simulationsansätze

Im Bereich kleiner Dehnungen ist auf Grundlage unserer Daten keine Richtungsabhängigkeit zu erwarten. Daher kann ein isotroper Ansatz zu Beschreibung des mechanischen Materialverhaltens gewählt werden.

Im plastischen Bereich stellen wir ein richtungsabhängiges Materialverhalten fest, das sich stark anisotrop in z-Richtung, gegenüber der x- und y-Richtung zeigt. Dieses lässt sich durch ein orthotropes Materialmodell abbilden. Dazu muss die Orientierung des Bauteils im Druckraum in das Simulationsmodell übertragen werden.

Eine Positionsabhängigkeit wird für den untersuchten Drucker anhand der vorgestellten Versuche nicht nachgewiesen und folglich auch nicht in der Simulation berücksichtigt.

Anhand ausstehender Validierungsexperimente wird der Simulationsansatz im kommenden Jahr hinsichtlich seiner Abbildungsgüte diskutiert werden.

Die erarbeiteten Projektergebnisse ermöglichen es uns, unsere Partner bei der Ermittlung von detaillierten Erkenntnissen zum mechanischen Verhalten von SLS-Bauteilen zu unterstützen. Zusätzlich bietet das LBF Methoden zur Auslegung dieser Bauteile mittels Struktursimulationen, die im weiteren Projektverlauf ausgearbeitet werden. Wir freuen uns, diese Strategie zukünftig für die Auslegung von zuverlässigen additiv gefertigten Bauteilen einsetzen zu können.