3D gedruckte Teile mit Orientierung

AddiSim: Phänomenologische Auslegungsstrategie für additiv gefertigte Kunststoffbauteile

Richtungsabhängige Materialeigenschaften von gedruckten Prüfkörpern

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.

 

Vereinfachte Methode zur Struktursimulation anhand mechanischer Untersuchungen

Ziel des laufenden Projektes AddiSim ist es eine vereinfachte Methode zur Struktursimulation von SLS-gefertigten Bauteilen anhand mechanischer Untersuchungen abzuleiten. Mittels des erarbeiteten Vorgehens werden umfangreiche Ergebnisse zum Verhalten des gedruckten Materials auf Grundlage einer detaillierten Vermessung des Druckraums ermittelt. Die am LBF generierte Methode schließt wichtige Erkenntnisse ein, um SLS gefertigte Bauteile leichtbaugerecht und sicher zu dimensionieren.

Herstellern gedruckter Bauteile stehen oftmals keine vollausgestatteten mechanischen Prüflabore zu Verfügung. Dennoch wird von ihnen eine leichtbaugerechte Entwicklung erwartet. Wir unterstützen hier und vereinen das Wissen unserer Partner mit eigens durchgeführten Experimenten in dieser vereinfachten Auslegungsmethodik.

Das SLS-Verfahren ist in der Prinzipskizze (Bild 1) erklärt. Nachdem die Kontur des gesamten Bauteils gesintert wird, kühlt das Bauteil im Pulverkuchen (Bild 2.1) ab. Es wird in der Regel manuell entnommen. Dieser Arbeitsschritt beinhaltet das Entnehmen der Teile aus dem Pulverkuchen, das Sandstrahlen, das Abblasen mit Druckluft (Bild 2.2), sowie eine Dusche zum Entfernen der letzten losen Pulverrückstände (Bild 2.3). Das Pulver, das sich in angemessenem Abstand zu Bauteilen im Pulverkuchen befindet, kann entsprechend der Herstellerempfehlungen als Rezyklat im nächsten Druckjob mit einem 1:1-Verhältnis von Frischpulver zu Rezyklat verwendet werden. Das bauteilnahe Pulver wird auf Grund vorheriger Temperaturhistorie nicht als Rezyklat verwendet.

Abbildung 1
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.

Im Rahmen des AddiSim-Projekts ist in Kooperation mit dem Institut für Kunststofftechnik Darmstadt ikd das Ingenieurforschungsprojekt von Andreas Grimm entstanden. Projekt anschauen

 

Förderer und Partner

Die vorgestellten Ergebnisse entstanden im Zusammenhang mit dem IGF Vorhaben 21105 N der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e. V., Haardring 100 in 64295 Darmstadt, mit dem Titel „Phänomenologische Strategien zur Berücksichtigung prozessspezifischer Materialeigenschaften in der simulativen Auslegung von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen“. Es wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsförderung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.
Für diese Förderung sei ausdrücklich gedankt, ebenso gilt der Dank der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e. V. und den Vertretern des projektbegleitenden Ausschusses.

 

»Als Geschäftsführer freue ich mich in der aktuellen Forschung eingebunden zu sein. Im direkten Austausch besprechen wir alltagsrelevante Fragestellungen und stellen beispielsweise Druckzeit zu Verfügung, so erhalten wir zusätzlich auch Informationen über unsere eigenen Drucker.«

Felix Wendt, Geschäftsführer Fiberthree GmbH

Simulationsansätze additiv gefertigter Kunststoffbauteile

Im Rahmen des AddiSim-Projekts ist in Kooperation mit dem Institut für Kunststofftechnik Darmstadt ikd das Ingenieurforschungsprojekt von Andreas Grimm entstanden. Im Projekt wurden die Ansätzen für FEM-Simulationen von Bauteilen aus dem SLS-Drucker untersucht sowie die Ursachen des anisotropen Verhaltens der Bauteile recherchiert und erläutert.

Das Vorgehen und die Ergebnisse sind in einem Poster zusammengefasst:

 

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