Multiskalensimulation von Formstoffen für den Einsatz von anorganischen Bindemitteln im Binder-Jetting-3D-Druck

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Heiko Andrä; Dr.-Ing. Daniel Günther; Professor Dr.-Ing. Philipp Lechner, seit 9/2023; Professor Dr. Matti Schneider
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507778349

Zur Herstellung von Sandkernen für Gießvorgänge ist in den letzten Jahren der 3D-Druck als Technologie erschlossen worden, insbesondere für schnelle Prototypisierung sowie Gießereianwendungen mit kleineren Stückzahlen. Durch den schichtweisen Aufbau unterscheidet sich dieser Prozess jedoch stark vom klassischen Kernschießen, insbesondere in Bezug auf die erreichten Dichtegrade. Das beantragte Vorhaben setzt sich zum Ziel, den 3D-Druck-Prozess von Sandkernen genauer zu verstehen, um so den Einfluss der Prozessgrößen auf das Endprodukt zu identifizieren. Damit sollen die hohe Qualität der gedruckten Sandkerne anwendungsspezifisch sichergestellt werden und gleichzeitig der mit hohem Aufwand verbundene Messaufwand sowie die Abhängigkeit von Expertenwissen und Erfahrungswerten minimiert werden. Genauer sind die folgenden Aspekte zu untersuchen: 1. Gedruckte Bauteile weisen grundsätzlich eine wesentlich niedrigere Dichte auf als konventionell erzeugte. Diese Dichte ist zudem inhomogen sowie teilweise stochastisch über den Bauraum eines 3D-Druckers verteilt. Zusätzlich ist eine Anisotropie verschiedener Eigenschaften zu beobachten. 2. Während des Bauprozesses kommt es zu einem Aufwölben bereits gedruckter Lagen, die so weit gehen kann, dass sie durch den Beschichter verschoben werden (Curling) und der gesamte Bauprozess gestört wird. 3. Durch den schichtweisen Aufbau des Baujobs steigt die Last auf bereits gedruckte Bereiche. Dadurch kommt es zu nichtlinearen Baufehlern, die sich in Trennschichten oder Versatz am Bauteil äußern. 4. Bei zu hoher Beschichtungsgeschwindigkeit werden im Bau befindliche Bauteile verschoben. Aus praktischer Erfahrung weiß man, dass neben der Pulverzusammensetzung, den atmosphärischen Bedingungen und der Steuerung des Beschichtungsvorganges per se auch die Tatsache, ob der Untergrund bereits bedruckt wurde oder nicht, eine entscheidene Bedeutung zukommt. Um oben genannte Ziele zu erreichen, soll - eng begleitet durch einschlägige experimentelle Untersuchungen - im beantragten Vorhaben ein digitales Modell geschaffen werden, welches den schichtweisen Aufbau der Sandkernschichten beim 3D-Druck abbildet. Aufbauend auf Mikrocomputertomographieaufnahmen industriell genutzer Sande soll dazu die Schüttung der Sandkörner unter Einfluss des Bindemittels auf bereits bedruckte Schichten untersucht werden. Anschließend ist eine simulative und experimentelle Bewertung der mechanischen, thermischen und Durchströmungseigenschaften der gedruckten Sandkerne vorgesehen. Dabei soll das von der DFG finanzierte Vorgängerprojekt µ-Kern, welches sich mit der mikromechanischen Modellierung des klassischen Kernschießprozesses beschäftigte, als Ausgangspunkt dienen und substantiell erweitert werden. Ein tieferes Verständnis der mikroskopischen Vorgänge beim 3D-Druck von Sandkernen dient als Grundlage für die Materialweiterentwicklung unter Umweltaspekten sowie als Basis für eine Optimierung des Druckprozesses selbst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk, bis 9/2023