LaserSintering2: Numerische und experimentelle Untersuchungen von dimensionslosen Materialparametern in der generativen Fertigung von Polymeren mittels Laser-Sintern zur beschleunigten Materialentwicklung und Prozessoptimierung – Phase 2: Erweiterung des Anwendungsfelds

Projektbeschreibung

Zahlreiche Forschergruppen arbeiten derzeit an der Entwicklung neuer Pulverwerkstoffe und Fertigungsverfahren. Im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren für Kunststoffbauteile sind nur wenige Werkstoffe für das laserbasierte Pulverbettschmelzen (PBF/LB) verfügbar. Das übergeordnete Ziel des DFG-Schwerpunktprogramms »Materials for Additive Manufacturing« (SPP 2122) war es, diese Einschränkung zu überwinden.

Die Komplexität und die Materialanforderungen von PBF/LB machen die Entwicklung neuer Pulver schwierig. Um die Pulverentwicklung zu beschleunigen, ist ein besseres Verständnis des Prozesses erforderlich. Insbesondere der Einfluss der Materialeigenschaften auf das Verarbeitungsverhalten ist von Interesse. Das bessere Verständnis der Material-Prozess-Beziehungen soll es ermöglichen, Bauteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften reproduzierbar herzustellen.  

Beim Projekt LaserSintering2 handelt es sich um die Fortführung des Projekts »Numerische und experimentelle Untersuchungen von dimensionslosen Materialparametern in der generativen Fertigung von Polymeren mittels Laser-Sintern zur beschleunigten Materialentwicklung und Prozessoptimierung« aus Phase 1 des DFG-SPP 2122.

In der ersten Förderperiode führten theoretische Überlegungen und numerische Simulationen zu einem besseren Verständnis der Material-Prozess-Beziehungen. Es waren jedoch weitere Untersuchungen notwendig, um bisher vernachlässigte Materialparameter zu berücksichtigen. Darüber hinaus sollten Effekte, die beim Mehrschichtauftrag auftreten, vertieft untersucht werden.

Das Hauptziel des Projekts LaserSintering2 war die Entwicklung dimensionsloser Kennzahlen, die den PBF/LB-Prozess realistisch abbilden können und die Definition stabiler Prozessfenster in Abhängigkeit vom Material ermöglichen.

Das erste Teilziel war die Untersuchung des Zusammenhangs weiterer intrinsischer und extrinsischer Materialparameter mit dem Prozess. Als extrinsische Materialparameter wurden die Einflüsse von Form und Größe der Polymerpartikel insbesondere auf das Koaleszenzverhalten im PBF/LB-Prozess untersucht. Intrinsische Materialparameter, deren Einfluss untersucht wurde, sind viskoelastische Eigenschaften und Kristallisationskinetik. Darüber hinaus wurde die optische Eindringtiefe des Lasers in verschiedenen Polymeren oder Polymerblends eingehend analysiert. Da es hierfür noch keine etablierten Messmethoden gab, wurde eine Analysemethode entwickelt. Mittels numerischer Simulationen wurde der Einfluss aller genannten Materialparameter untersucht und ihre jeweilige Relevanz für die Verarbeitbarkeit ermittelt.

Das zweite Teilziel war die Validierung der aus den dimensionslosen Kennzahlen abgeleiteten Prozessfenster anhand weiterer Materialien. Hierfür wurden die entwickelten Simulationstools kooperierenden Gruppen zur Verfügung gestellt. Neben der Validierung konnten so auch neu entwickelte Pulver auf ihre Verarbeitbarkeit hin untersucht werden.

Das dritte Teilziel konzentrierte sich auf den Einfluss des Auftragens mehrerer aufeinanderfolgender Schichten. Untersucht wurde das stationäre Schmelz- und Koaleszenzverhalten von zehn Schichten, das vermutlich vom zeitlichen Abstand zwischen dem Auftragen der Schichten abhängt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Wartezeit zwischen dem Aufbringen der einzelnen Schichten die Dichte und die mechanischen Eigenschaften der erzeugten Bauteile beeinflusst.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

• Untersuchung des Einflusses der Partikelform und Partikelgrößenverteilung
• Berücksichtigung des Kristallisationsverhaltens in der Materialmodellierung
• Entwicklung eines schnellen 1D-Lösungsverfahrens zur Simulation mehrerer Pulverschichten
• Untersuchung des Einflusses der Wartezeit zwischen den Pulverschichten auf die Bauteildichte