Erweiterte Material- und Bauteileigenschaften beim Lasersintern – Reduzierte Auffrischraten und Analyse des Abkühlprozesses

Durch die Verwendung des recycling-optimierten Materials PA 2221 ist es möglich, Altpulver mit nur noch 30 % Neupulver aufzufrischen. Im Vergleich zu dem Standardmaterial PA 2200 (Auffrischrate 50 %) ist es dadurch möglich, bei gleichbleibenden Bauteilqualitäten den Materialverbrauch sowie Abfall signifikant zu reduzieren. Dadurch kann die Kosteneffizienz des Lasersinter-Prozesses erhöht werden. In diesem Projekt wird die Materialalterung (Einfluss der Temperatur während des Bauprozesses) z. B. anhand der Schmelzefließrate (MVR) und der DSC-Analyse untersucht. Die Experimente werden entlang einer Testserie mit fortschreitenden Bau- und Auffrischzyklen durchgeführt, wobei definierte Alterungszustände eingestellt werden.
Sobald das Alterungsverhalten des Materials PA 2221 ausreichend charakterisiert ist, werden erweiterte Materialeigenschaften ermittelt, z. B. temperaturabhängige mechanische Eigenschaften, physikalische und elektrische Kennwerte sowie Schlageigenschaften. Diese Daten können z. B. für eine Bauteilauslegung mittels FEM genutzt werden. Zusätzlich werden die ermittelten Werte mit denen des Standardmaterials PA 2200 verglichen.

Weiterhin hat sich in vergangenen Studien gezeigt, dass die Bauteilposition innerhalb des Pulverkuchens die Bauteileigenschaften durch unterschiedliche Temperaturhistorien maßgeblich beeinflusst. Neben der Position ist die Temperaturentwicklung aber auch von Jobparametern wie der Packungsdichte und der Bauhöhe abhängig. Über die genaue Temperaturverteilung im Inneren des Pulverkuchens und deren Einfluss auf Bauteil- und Pulvereigenschaften ist jedoch nur sehr wenig bekannt.
In einem ersten Schritt wird ein Temperaturmesssystem entwickelt und in ein Lasersinter-System (EOS P395) eingebaut. Dafür wurden ein Wechselrahmen und der Hebemechanismus entsprechend modifiziert. Die Temperatur im Inneren des Pulverkuchens wird dabei mit mehr als 50 Thermoelementen während der kompletten Bau- und Abkühlphase erfasst. In einem zweiten Schritt wird der Einfluss von verschiedenen Jobparametern wie der Bauhöhe und Schichtdicke auf die Temperaturhistorie ermittelt. Weiterhin werden individuelle Temperaturprofile mit Pulveralterungseffekten (MVR) korreliert.
Die Ergebnisse der Temperaturmessungen dienen weiterhin als Basis für die Entwicklung eines Finite-Elemente-Modells zur Simulation des Abkühlprozesses. Dabei werden die thermischen Materialparameter der Pulverschüttung sowie die äußeren Randbedingungen analysiert. Neue Abkühlstrategien können so ohne weitere Experimente getestet werden.
Eine zur Verbesserung der Bauteileigenschaften sowie deren Reproduzierbarkeit notwendige Optimierung der Temperaturführung, insbesondere während des Abkühlprozesses, kann in zukünftigen Arbeiten erfolgen. Ebenso ist die Verknüpfung von individuellen Temperaturhistorien mit resultierenden Teile-Kristallinitäten (und damit dem Schwund, Verzug und Mechanik) Schwerpunkt der Folgeprojekte.