Ein konstruktionsmethodischer Ansatz für additiv gefertigte wärmeerzeugende Strukturen – Verknüpfung von Geometrie, Fertigung und Materialentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Carsten Schilde; Professor Dr.-Ing. Thomas Vietor
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452679573

Additive Fertigungsverfahren, wie die Materialextrusion (MEX), eröffnen infolge des Verfahrensprinzips des schichtweisen Materialauftrags gegenüber werkzeugbasierten oder subtraktiven Fertigungsverfahren neue Freiheiten in der Bauteilgestaltung. Diese erlauben bspw. eine Kombination unterschiedlicher Materialien innerhalb eines Bauteils, ohne dass ein zusätzlicher Montage- oder Fügeprozess erforderlich ist. Hierdurch wird eine lokale Integration materialspezifischer Funktionen, wie elektrische Leitfähigkeit zur Wärmeerzeugung, erreichbar und somit eine effiziente Nutzung kostenintensiver Funktionspolymere möglich.Die Integration wärmeerzeugender Strukturen ermöglicht z.B. die Realisierung von individualisierbaren Widerstandsheizungen (Geometrie, Oberflächentemperatur) oder von Aktoren in Kombination mit thermisch aktivierbaren Formgedächtnispolymeren. Zwei zentrale Herausforderungen begrenzen derzeit jedoch die Nutzung dieses Potentials. Zum einen sind die Eigenschaften der verfügbaren Funktionspolymere für das Verfahren der MEX im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit begrenzt und die Verarbeitung aufgrund der hohen Verarbeitungsviskosität stark erschwert. Zum anderen ist das Detailverständnis in Bezug auf die inhärenten Abhängigkeiten zwischen der Prozessparameterwahl sowie der Geometriefestlegung und den resultierenden elektrischen Eigenschaften begrenzt. Dies liegt u.a. in der während der Fertigung entstehenden Anisotropie der Werkstoffeigenschaften begründet. Somit ist eine systematische Auslegung additiv gefertigter Strukturen zur Wärmeerzeugung unter Berücksichtigung der Zusammenhänge zwischen der Materialentwicklung, dem Fertigungsprozess und der Geometrie nicht möglich.Das Ziel dieses Forschungsvorhabens stellt ein konstruktionsmethodischer Ansatz zur Gestaltung additiv gefertigter wärmeerzeugender Strukturen dar. Die enge Verzahnung der Disziplinen der Verfahrens- und der Konstruktionstechnik bildet hierbei die Grundlage für die Aufklärung der komplexen Zusammenhänge zwischen dem Materialsystem sowie der Prozessparameter- und der Geometriefestlegung. Dies umfasst einerseits die Erforschung der Herstellung von Funktionspolymeren mit definierten elektrischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften für das Verfahren der MEX. Andererseits werden prozess- und geometrieseitige Möglichkeiten zur gezielten Einstellung der Oberflächentemperatur bereitgestellt. Mittels strangaufgelöster Thermografieaufnahmen wird die Wirkung aller Einflussfaktoren systematisch erfasst und in Form eines weitgehend physikalisch begründeten Modells in der Bereitstellung von Gestaltungswissen berücksichtigt. Die aufgeklärten Abhängigkeiten zwischen Material, Fertigung und Geometrie werden zum Aufbau eines Modells mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) genutzt. Die Evaluierung des konstruktionsmethodischen Ansatzes und des FEM-Modells wird anhand der Auslegung und der Fertigung einer wärmeerzeugenden Struktur mit zuvor festgelegten Eigenschaften durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen