Simulation des Schwindungsverhaltens im Fused Deposition Modeling Verfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Elmar Moritzer, seit 2/2021; Professor Dr. Detmar Zimmer
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419994631

Das Ziel des Vorhabens ist die Simulation des Schwindungsverhaltens im Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren. Mithilfe der Schwindungssimulation soll die sich einstellende Maßänderung von FDM-Bauteilen ermittelt werden. Anhand der Maßänderung sollen optimale Schwindungsfaktoren für das FDM-Verfahren abgeleitet werden, die nachweislich für die Maßhaltigkeit des Verfahrens verantwortlich sind. Der Schwindungsfaktor ist eine Skalierung entlang aller Bauraumachsen zur Kompensation der prozessbedingten Schwindung. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass für Probekörper mit einer konstanten Nennlänge ein global angepasster Schwindungsfaktor entlang der betrachteten Raumrichtung eine deutliche Reduzierung der auftretenden Maßabweichungen erzielen kann. Bei komplexen Bauteilen liegen i.d.R. verschiedene Nennlängen vor. Dies können kleine Nennlängen ≤ 10 mm oder hohe Nennlängen (≥ 100 mm) sein. Da der optimierte Schwindungsfaktor maßgeblich von der Nennlänge abhängig ist, soll im zweiten Schritt des Projektes eine Methode erarbeitet werden, wie in der Konstruktionsphase des Bauteils die Anwendung von lokal angepassten Schwindungsfaktoren durchgeführt werden kann. Um das Verfahren zur Herstellung von Einzel- und Kleinserien effizient und wirtschaftlich nutzen zu können, müssen die Produktanforderungen bereits mit dem ersten Bauteil erfüllt werden. Daher ist eine Betriebspunktoptimierung hinsichtlich des Schwindungsfaktors nicht erstrebenswert, da dies erhöhte Kosten und Maschinenzeit mit sich bringen würde.Um Ressourcen einzusparen, soll mithilfe der Simulationstechnik das Schwindungsverhalten von FDM-Bauteilen analysiert werden. Aus den Erkenntnissen können optimierte Schwindungsfaktoren für z.B. hohe Nennlängen oder neue Materialien abgeleitet werden. Daher wird zur Ermittlung des Schwindungsverhaltens das Abkühlverhalten an einer Elementarzelle, die die Struktur von FDM-Bauteilen repräsentiert, untersucht. Zuvor ist es allerdings notwendig, dass die Verarbeitungsbedingungen ebenfalls ermittelt werden. Diese haben maßgeblichen Einfluss auf das Schwindungsverhalten. Aus den ermittelten Daten der Aufschmelz- bzw. Extrusionsanalyse ergeben sich die Eingangsgrößen für die Abkühlsimulation. Dabei wird das Hauptaugenmerk auf eine Temperatur- und Schwindungssimulation gelegt, mit dem Ziel die sich einstellende Maßänderung zu ermitteln.Zuletzt werden die Ergebnisse der Simulation mittels experimentellen Untersuchungen validiert und evaluiert. Der Ansatz der lokal anzuwendenden Schwindungsfaktoren auf bestimmte Geometrien bzw. Nennlängen eines komplexen Demonstratorbauteils soll untersucht werden. Anschließend werden die Bauteile nach der Fertigung im FDM-Verfahren mittels Koordinatenmessmaschine vermessen und somit hinsichtlich ihrer Geometriegenauigkeit überprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Vera Denzer; Dr.-Ing. Christian-Friedrich Lindemann
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner, bis 2/2021