Materialentwicklung von unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen für strangablegende 3D-Druckverfahren

Ziel dieses Projektes ist es die Anforderungen an Materialien und Halbzeuge, welche in strangablegenden 3D-Druckverfahren verarbeitet werden, zu untersuchen. Durch den Ausbau des Prozessverständnisses soll eine Wissensbasis erstellt werden, mit welcher die Materialvielfalt in strangablegenden 3D-Druckverfahren gesteigert werden kann. Dieses Projekt wird in Kooperation mit der ALBIS PLASTIC GmbH und im Rahmen des NRW Fortschrittskolleg "Leicht - Effizient - Mobil" (FK LEM) durchgeführt. Als eines der sechs im Jahre 2014 eingerichteten Fortschrittskollegs wird das FK LEM vom Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung (MIWF) des Landes Nordrhein Westfalen gefördert.

Die zu untersuchenden strangablegenden 3D-Druckverfahren gehören zu den meist verwendeten additiven Fertigungsverfahren und sind beispielsweise unter den Begriffen Fused Deposition Modeling (FDM), Fused Layer Modeling (FLM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt. Bei diesen Verfahren wird das Halbzeug, ein drahtförmig vorliegender, thermoplastischer Kunststoff, aufgeschmolzen und durch eine Düse gepresst. Das fortlaufende Positionieren dieser Düse ermöglicht es das Material Strang für Strang aneinander und Schicht für Schicht aufeinander zu schweißen, um dadurch ein Bauteil zu erzeugen. Die Energie für die Schweißungen der einzelnen Stränge resultiert größtenteils aus der thermischen Energie der abgelegten Kunststoffschmelze.

Wünschenswert ist es, in diesen Verfahren eine ähnlich große Materialvielfalt wie beispielsweise bei der Profilextrusion oder dem Spritzgießen einsetzen zu können. Die Verarbeitungseignung beliebiger Kunststoffe sollte dazu bereits anhand von Materialeigenschaften oder Kennwerten abschätzbar sein. Dies ist zurzeit nicht möglich, da im Gegensatz zu konventionellen Verfahren erst wenig über die zur Verarbeitung in strangablegenden 3D-Druckprozessen erforderlichen und wünschenswerten Materialeigenschaften bekannt ist.

Procedure
In this project, the requirements for materials, semi-finished products and processes are investigated by the means of example polymer types. For this purpose, different types of polyamide 6 (PA6) will be systematically extruded into monofilaments and then a supervised processing in an extrusion deposition additive manufacturing machine will follow. By varying important material properties, such as the viscosity, the material properties should be connected to the processing properties.

To reach that aim the processability in extrusion deposition additive manufacturing processes has to be defined so that it is evaluable for different materials. Therefore custom-built specimens are created to investigate some significant characteristics like tensile strength of the welding seams or process specific warpage. Other factors like machine quality or data processing should have no or minimal influence. For that reason machine and process specific influences are considered to create custom-built specimens.

After the specimens have been verified on known materials, series of tests should be run for each characteristics. Suitable material properties are identified by rating the processability as a function of the varied material properties. Those are supervised during the whole project by methods like differential scanning calorimetry or high pressure capillary rheometry.

Outlook

In diesem Projekt werden daher die Anforderungen an Material, Halbzeug und Prozess anhand eines Beispielkunststofftyps untersucht. Dazu werden systematisch verschiedene Typen von Polyamid 6 (PA6) zu Monofilamenten extrudiert und anschließend kontrolliert auf einer FDM-Anlage verarbeitet. Durch die Variation wichtiger Materialeigenschaften, wie der Viskosität, sollen die Materialeigenschaften in Zusammenhang mit den Verarbeitungseigenschaften gesetzt werden. Außerdem soll die Verarbeitung faserverstärkter Materialien untersucht werden. Es ist davon auszugehen, dass das verfahrensbedingte Erzeugen der Bauteile, durch Aneinanderlegen vieler Stränge, die Beeinflussung der Faserorientierung ermöglicht.