Ableitung der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen von polymerbasierten additiv gefertigten Strukturen mittels experimenteller und numerischer Analysen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Wilfried Liebig; Dr.-Ing. Andreas Prahs; Dr.-Ing. Daniel Schneider
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565683135

Kunststoffbasierte additive Fertigungsverfahren, wie die Materialextrusion (MEX), haben sich über die letzten zwei Jahrzehnte technologisch immer weiterentwickelt, sodass beispielsweise eine breite Palette von Kunststoffen verarbeitet werden können. Dies hat dazu beigetragen, dass das MEX-Verfahren nicht nur im Modell- und Prototypenbau eingesetzt wird, sondern auch bei der Herstellung von Funktions- und Strukturbauteilen. Additiv gefertigte Bauteile weisen allerdings im Vergleich zu Bauteilen, hergestellt mit anderen Fertigungsverfahren wie z. B. dem Spritzgießen, eine geringere Steifigkeit und Festigkeit auf. Dies kann auf vier wesentliche Strukturmerkmale zurückgeführt werden: Den Grenzflächen zwischen den einzelnen Druckbahnen (innerhalb und zwischen den Schichten), einer der Form der Druckbahnen geschuldeten erhöhten Welligkeit der Oberfläche, Poren zwischen den Druckbahnen (umfasst alle Arten von Poren) sowie einer unterschiedlichen Orientierung der Druckbahnen hinsichtlich der Lastrichtung. Die einzelnen Einflüsse der Strukturmerkmale sind immer noch Gegenstand aktueller Forschung und bisher nicht ausreichend bekannt. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es daher die Einflüsse der Strukturmerkmale getrennt zu betrachten und in ihrer Größe zu quantifizieren. Zudem fließen die gewonnenen Erkenntnisse zu den Strukturmerkmalen in eine simulative Abbildung von additiv gefertigten Strukturen ein, um zukünftig die Vorhersage von mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Hierzu werden von experimenteller Seite zunächst die Rahmenbedingungen wie thermische und rheologische Materialparameter, die geometrische Ausbildung der Druckbahnen und die Orientierung der Molekülketten innerhalb einer Struktur für zwei Kunststoffe (Polyactide, PLA; amorph und Polyethylenterephthalat-Glycol, PET-G; teilkristallin) bestimmt. Daraufhin werden geeignete Probekörperpräparationen und -formen entwickelt, um die Einflüsse der Strukturmerkmale getrennt betrachten zu können. Zuletzt werden die effektive Steifigkeit und Festigkeit mithilfe der entwickelten Probekörperformen charakterisiert. Zur Bestimmung der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen werden Erstarrungssimulationsstudien durchgeführt deren Ergebnisse für die numerische Bestimmung der effektiven mechanischen Materialeigenschaften verwendet werden. Für die Durchführung großskaliger Simulationsstudien ist ein thermo-mechanisch gekoppeltes Simulationsmodell notwendig, das die Interaktion zwischen Wärmeleitung, Festkörpermechanik und Kristallinität unter Berücksichtigung von großen Deformationen abbildet. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einfluss der Schwindung infolge der Kristallisation während des Erstarrungsprozesses. Die Erkenntnisse aus den experimentellen und simulativen Untersuchungen münden abschließend in Gestaltungsrichtlinien hinsichtlich der Anpassung der Prozessparameter, die die Optimierung des effektiven Materialverhaltens (Steifigkeit und Festigkeit) ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Britta Nestler