Konstitutive Modellierung UV-aushärtender gedruckter Polymerkomposite

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Lion
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406819523

3D-Druck ist eine innovative Technik zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit komplexer Gestalt. Je nach Druckprinzip können Metalle, Keramiken und Polymere verarbeitet werden. Während des punkt- oder schichtweisen Druckens erfährt das Material einen Übergang von einem Fluid zu einem Festkörper und eine Temperaturänderung, die mit Änderungen des thermomechanischen und kalorischen Materialverhaltens einhergeht. Dabei entstehen Gradienten in den Materialeigenschaften und Eigenspannungen, die das mechanische Verhalten sowie die Geometrie der Struktur in gewünschter oder unerwünschter Weise beeinflussen. Da die verarbeiteten Materialien inelastisch sind, hängen diese Effekte von Zeit und Temperatur sowie den Druck- und Nachbehandlungsprozessen ab. Aufgrund fehlenden Verständnisses sowie fehlender Materialmodelle und Simulationstools werden diese Probleme oft mit aufwendigen Trial-and-Error Methoden gelöst.Um die Kosten gering zu behalten, konzentriert sich das Projekt auf füllermodifizierte Polymerkomposite, die unter UV-Strahlung exotherm aushärten. Unsere Ziele sind das Verstehen, Modellieren, Simulieren und Optimieren der Druck- und Nachbehandlungsprozesse von Strukturen aus Polymerkompositen. Die Versuche beginnen mit Untersuchungen zur Härtung: Kalorische, rheometrische und volumetrische Messungen unter UV- und Temperaturkontrolle sind geplant. Gedruckte und nachbehandelte Zugstäbe werden in Abhängigkeit von den Prozessparametern wie Temperatur, UV-Intensität, Schichtdicke oder Zeitskalen analysiert. Auf Basis der Daten des ungefüllten Polymers wird ein vom Aushärtegrad abhängiges Materialmodell der Thermoviskoelastizität entwickelt. Es wird identifiziert und in ein Finite-Elemente Programm implementiert. Eine Evolutionsgleichung mit von der UV-Intensität abhängigen Parametern wird entwickelt, um das Verhalten des Aushärtegrades zu beschreiben. Wenn die Glasübergangstemperatur des ausgehärteten Polymers über der Härtungstemperatur liegt, wird die Diffusionskontrolle im Modell berücksichtigt. Die Verteilung und die Geometrie der Füllstoffpartikel in den gedruckten Proben werden durch Elektronenmikroskopie und der Einfluss des Füllstoffs auf das Verhalten der Komposite durch mechanische Tests untersucht. Durch das Zusammenführen dieser Information wird ein Referenzvolumenelement erzeugt, dessen homogenisiertes Verhalten unter weiteren Annahmen mit der Finite-Elemente Implementierung des thermoviskoelastischen Modells für die Matrix berechnet und mit Experimenten verglichen wird.Zuletzt wird die Simulationskette angewendet, um das Drucken und die Nachbehandlung von Gitterstrukturen zu simulieren. Zu verschiedenen Zeiten während der Nachbehandlung werden gemessene und simulierte Geometrien und Eigenspannungen verglichen. Wenn die Validierung erfolgreich ist, können mit der Simulationskette optimale Prozessparameter abgeschätzt werden, die Eigenspannungen minimieren und die gedruckte Struktur stabil und innerhalb zulässiger Toleranzen halten

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrej Constantinescu