Three-dimensional printing process for the production of near-standard components with property gradients
Final Report Abstract
Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches es prinzipiell ermöglicht, Bauteile auf Polyurethanbasis mit Eigenschaftsgradierung herzustellen. Als Ausgangsmaterialien werden flüssige Prepolymere verwendet, die mit dem Lösungsmittel Toluol vermischt werden, um druckbar zu sein. Ein prototypisches Maschinensystem wurde entwickelt, welches mittels Piezo-Drucktechnologie das Drucken unterschiedlicher flüssiger Polymere in einstellbaren, variablen Auflösungen ermöglicht. Allerdings ergibt sich nur ein kleines Prozessfenster für druckbare Mischungen. Außerdem wurden umfangreiche Studien zur Einstellung der Reaktionszeiten der Polyurethansysteme durch geeignete Additive durchgeführt, da die Reaktionszeit für den Schichtzusammenhalt und den Eigenschaftsgradienten in z- Richtung von entscheidender Bedeutung ist. Dazu wurden Additivsysteme für Polyole und Polyisocyanate ausgewählt und unter Berücksichtigung des Lösungsmitteleinflusses (Toluol) qualifiziert sowie die Reaktionsgeschwindigkeiten mit Hilfe rheologischer Methoden bestimmt. Es wurde zudem eine Abhängigkeit der Tropfengröße von den Piezoprozessparametern Spannung U und Impulsdauer ti nachgewiesen. Demnach ist es für das Ausgangsmaterial Lupranol 1100 möglich, Tropfendurchmesser von 0,045 cm bis 0,08 cm durch Variation der Prozessparameter zu generieren. Allerdings zeigten sich auch Schwierigkeiten in Bezug auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Abschließend wurden kleine 3D-Testbauteile gefertigt, welche die prinzipielle Machbarkeit des Verfahrens zeigen. Allerdings wurden auch Probleme aufgezeigt, wie die Reaktion der Ausgangsmaterialien mit anschließender Gas- und Blasenbildung. Für einen weiteren Verfahrensfortschritt muss die Reproduzierbarkeit in Bezug auf eine konstante und gleichmäßige Tropfenbildung verbessert werden. Zudem müssen etwaige Zusatzstoffe identifiziert werden, welche die Reaktion der Ausgangsmaterialien verhindern und somit die Gasbildung unterdrücken. Dies sollte zu einer Verbesserung der Bauteilqualitäten und Steigerung der Aufbauraten führen.
Publications
- Study of inkjet printing as additive manufacturing process for gradient polyurethane material. Production Engineering, Volume 8, (2014) S. 25-32
Müller, M., E.; Huynh, Q. U. Uhlmann, E., Wagner, M. H.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-013-0504-0) - Additive Fertigung mittels 3D- Gradientendruck, Ingenieursspiegel 03/2018, S.19 – 22
Uhlmann, E., Wagner, M. H., Gerlitzky, G.
- Additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen mit Eigenschaftsgradienten, ZWF Zeitschrift für den wissenschaftlichen Fabrikbetrieb, 05/2018, S. 290 - 294
Uhlmann, E., Wagner, M. H., Gerlitzky, G.
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111918)
