Untersuchung und Modellierung konstruktiver Gestaltungs- und Fertigungsrichtlinien für das Kunststoff-Freiformen mittels ABS unter Berücksichtigung des verfahrensspezifischen Materialabbaus
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Kunststoff Freiformen und das zugehörige Maschinensystem Freeformer zählt zu den neuartigen Technologien im Bereich der additiven Fertigungsverfahren. Da die Einflussgrößen der Prozessführung auf die resultierende Bauteilqualität nicht hinreichend bekannt waren, lag die Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens in der Entwicklung von Fertigungs- und Gestaltungsrichtlinien für eine effiziente Prozessauslegung und -optimierung des KF-Verfahrens. Die Einflussgrößen auf die mechanischen, geometrischen und visuellen Bauteileigenschaften sowie die Untersuchung des Benetzungsverhaltens, die Modellierung des thermischen Materialabbaus und die Analyse der Bauteildimensionsstabilität zählten zu den wesentlichen Themenfeldern der durchgeführten Untersuchungen. Zunächst wurde eine ausführliche Analyse der Fertigungsrandbedingungen durchgeführt. Hinsichtlich der beeinflussbaren Fertigungsrandbedingungen haben die Untersuchungen gezeigt, dass der Austrag für eine reproduzierbare Bauteilqualität in einem Toleranzband von ± 10 % gehalten werden sollte. Darüber hinaus ist es wichtig, eine material- und prozessparameterabhängige minimale Schichtzeit einzuhalten, sodass reproduzierbare Ergebnisse sichergestellt werden können. Die Betrachtung der nicht-beeinflussbaren Fertigungsrandbedingungen hat ergeben, dass eine weitestgehend homogene Temperaturverteilung im Bauraum sowie auf der Bauplattform vorliegt. Darüber hinaus hat eine Analyse der konstruktiven Grenzfälle gezeigt, dass das KF-Verfahren im Vergleich zum FDM-Verfahren hinsichtlich der Auflösungsgenauigkeit besser abschneidet. Dies ist unter anderem auf die geringere Strang- bzw. Tropfenbreite im KF-Verfahren zurückzuführen, wodurch jedoch auch die Bauzeit im Vergleich zum FDM negativ beeinflusst wird. Neben diesen Thematiken war in einer der vielfach durchgeführten Materialqualifikationen ein Einfluss der Düsenlaufzeit auf die Tropfenhöhe bzw. -breite aufgefallen. Nähere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass kein signifikanter Einfluss auf die mechanischen oder visuellen Eigenschaften vorliegt. Somit ist eine Einschränkung der Düsenlaufzeit zunächst nicht gegeben, wobei der Einfluss auf die Tropfenform dennoch berücksichtigt werden sollte. Die Analyse und Optimierung der mechanischen Bauteileigenschaften wurde zunächst anhand eines statistischen Versuchsplans vorgenommen. Die aus den Ergebnissen abgeleiteten Regressionsmodelle zeigen, dass der Formfaktor, die Schichtdicke und die Düsentemperatur als wesentliche Einflussgrößen auf die mechanischen Bauteileigenschaften anzusehen sind. Zudem konnte anhand von weiterführenden Untersuchungen ein anisotropes Bauteilverhalten in Abhängigkeit des Raster- und Rasterfolgewinkels nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurden erfolgreiche Optimierungsstrategien, beispielsweise durch ein stärkeres Andrücken der Tropfen, für eine Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften in Z- Aufbaurichtung entwickelt. Die Untersuchung des Benetzungsverhaltens von schmelzeförmigen Tropfen auf einer zuvor erzeugten und erstarrten Bauteilschicht haben gezeigt, dass diesbezüglich kein signifikanter Einfluss der Materialviskosität vorliegt. Auch die Variation der Düsentemperatur hat ebenfalls nicht zu einer signifikanten Änderung des Benetzungsverhaltens geführt. In weiterführenden Untersuchungen zur Analyse der Oberflächenspannung im schmelzeförmigen Zustand konnten gleichermaßen keine Einflüsse der Materialviskosität sowie der Massetemperatur nachgewiesen werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Analyse und Modellierung des Materialabbaus im thermischen kritischen Volumen der Masseaufbereitungs- und Masseaustragseinheit. Die aufgestellte Modellierung wurde in ein Softwaretool umgesetzt mit dem die Verweilzeit des Materials für einen spezifischen Bauauftrag vorhergesagt werden kann. Ist die thermische Stabilität des verwendeten Materials bekannt, beispielsweise aus TGA-Untersuchungen, kann ein Vergleich mit diesen Werten aufzeigen, inwieweit der Bauauftrag in der vorliegenden Form ohne einen thermischen Materialabbau gefertigt werden kann. Darüber hinaus konnten mit dem entwickelten Softwaretool die wesentlichen Einflussgrößen auf die Verweilzeit aufgezeigt werden. Dazu zählen der Austrag und der Anteil an benötigtem Supportmaterial innerhalb eines Bauauftrags. Um die visuellen und geometrischen Bauteileigenschaften von KF-Bauteilen zu untersuchen und im weiteren Verlauf zu optimieren, wurde eine Analyse der Bauteildimensionsstabilität angestrebt. Diesbezüglich wurde zunächst das Schwindungsverhalten in alle drei Koordinatenrichtungen detailliert geprüft. Auf Basis dieser Ergebnisse konnten die bisher vorliegende Methodik zur Optimierung der Skalierungsfaktoren weiterentwickelt und ein signifikant verbessertes Schwindungsverhalten erzielt werden. Weiterführende Ergebnisse wurden zum Einfluss variabler Bauteilgeometrien auf einen optimierten Formfaktor sowie zum Einfluss der Verfahrwege auf die Oberflächenqualität generiert. In den abschließend aufgestellten Gestaltungs- und Fertigungsrichtlinien wurden alle Erkenntnisse aus den durchgeführten Untersuchungen zusammenfassend aufbereitet. Damit sollen diese Richtlinien die Anwender der KF-Technologie bei der Durchführung einer effizienten Materialqualifizierung sowie einer optimierten Prozessauslegung unterstützen, sodass bestmögliche Bauteilqualitäten realisiert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Charakterisierung des Arburg Kunststoff Freiformens. Produktion NRW/VDMA – Erfa Additive Manufacturing Kunststoff – Design und Fertigung, Lennestadt (Deutschland), 2019
E. Moritzer; A. Hirsch
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Plastic droplet welding: bond strength between plastic freeforming structures and continuous fiber-reinforced thermoplastic composites. Welding in the World, 63, 2019, S. 867-873, ISSN: 1878-6669
E. Moritzer; A. Hirsch; H.-P. Heim; C. Cherif; W. Truemper
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Process Parameter Optimization to Improve the Mechanical Properties of Arburg Plastic Freeformed Components. 30th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium (SFF), Austin, Texas (USA), 2019
E. Moritzer; A. Hirsch; F. Hecker
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Investigation of Plastic Freeformed, Open-Pored Structures with Regard to Producibility, Reproducibility and Liquid Permeability. Additive Manufacturing in Products and Applications (AMPA), Zurich (Switzerland), Springer Nature Switzerland AG, 2020, S. 112-129, ISBN: 978-3-030-54333-4
E. Moritzer; A. Hirsch; C. Dalmer
