In-situ-Analyse der Mikrostrukturausbildung und der Pulveralterung beim pulverbettbasierten Schmelzen von Kunststoffen mittels dielektrischer Relaxationsspektroskopie

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Katrin Wudy
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504676034

Eine der größten Herausforderungen beim pulverbettbasierten Schmelzen von Kunststoffen (PBF-LB/P) ist die Analyse der Mikrostrukturausbildung im Prozess. Nach dem heutigen Stand der Technik und Forschung erfolgt die in-situ Analyse des Materialverhaltens beim PBF-LB/P primär auf Basis von thermographischen oder bildgebenden Verfahren. Diese Methoden lassen keinen Rückschluss auf Gefügeinformationen, wie Kristallisation oder Alterungsmechanismen des Polymers während des Prozesses zu. Diese Herausforderung wird durch das Teilprojekt „In-situ-Analyse der Mikrostrukturausbildung und der Pulveralterung beim pulverbettbasierten Schmelzen von Kunststoffen mittels dielektrischer Relaxationsspektroskopie“ adressiert. Ziel des Projekts ist es, die Schmelz- und Kristallisationsdynamik beim PBF-LB/P während der Verarbeitung, unter Zuhilfenahme der Methode der dielektrischer Relaxationsspektroskopie (DRS), grundlegend zu verstehen. DRS hat sich als leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung von Übergangsbereichen, der Kristallisationskinetik, dem Feuchtigkeitsgehalt sowie von physikalischen und chemischen Alterungsmechanismen erwiesen. Diese auf sinusförmiger elektrischer Anregung basierende Analysemethode, liefert detaillierte Informationen zu Relaxations- und Translationsphänomenen. Darüber hinaus ist die DRS ein robustes und schnelles Messverfahren, das sein Potenzial für die in-situ-Überwachung in der Polymerverarbeitung bereits bewiesen hat. Neueste Entwicklungen von DRS-Sensoren ermöglichen die berührungslose (Messabstand von ca. 2 cm) Analyse von Polymerproben. Dies qualifiziert DRS nun als perfektes Werkzeug für die Implementierung in den PBF-LB/P Prozess, um ein vertieftes Verständnis der Mikrostrukturausbildung auch über mehrere Schichten hinweg zu erlangen. Dabei soll im Rahmen des Projektes, auf der Basis von in-situ DRS Messungen einen Zusammenhang zwischen Prozessparametern, materialabhängiges Prozessverhalten und resultierenden Bauteileigenschaften abgeleitet werden. Neben dem Schmelz- und Kristallisationsverhalten werden prozessimmanente Eigenschaften des sogenannten Partcake-Pulvers, wie z.B. Alterungseffekte oder der Feuchtigkeitsgehalt, erforscht, um Empfehlungen für eine Wieder- und Weiterverwendung des Pulvers ohne zusätzliche Messungen geben zu können. Um allgemeingültiges Prozessverständnis zu generieren, erfolgen die Untersuchungen zunächst an dem gut verstanden Werkstoff PA12 und im Anschluss werden die Erkenntnisse auf gefülltes PA12 und TPU übertragen. Dieses Projekt repräsentiert eine einzigartige Kombination aus Materialwissenschaften und Additiver Fertigung und beantwortet grundlegende und ungeklärte Fragen zur Gefügeausbildung beim PBF-LB/P.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen