Ermüdungseigenschaften von FDM und LS Bauteilen

In der Praxis ist für eine zuverlässige Bauteilauslegung, neben den statischen Materialkennwerten, vor allem das Wissen über die Ermüdungseigenschaften entscheidend. Viele Bauteile werden im Einsatzbereich nicht nur statisch sondern vor allem dynamisch belastet, wie zum Beispiel ein Befestigungselement im Flugzeug. Dieses Bauteil wird neben der eigentlichen zu tragenden Last bei Turbolenzen oder Starts und Landungen auch einer gewissen Schwingung ausgesetzt, die zu Lastspitzen führt. Durch die Ermittlung von Wöhler-Kurven können zuverlässige Aussagen über den Zusammenhang von Schwingspielzahl und aufgegebener Last ermittelt werden, sodass die Gefahr eines unerwarteten Versagens der Bauteile drastisch minimiert wird. Werden Kunststoffbauteile dauerhaft belastet, wie es zum Beispiel bei einem Befestigungselement der Fall sein kann, tritt zusätzlich ein Kriechen des Werkstoffes auf. Kriechen bezeichnet dabei die plastische Verformung unter anhaltender Last. Dies kann langfristig zum Versagen des Bauteils führen.

In diesem Projekt werden zunächst dynamische Festigkeitswerte in Form von Wöhler-Kurven für Laser Sintering (LS) - Bauteile aus dem Material Polyamid 12 (Typ PA 2200) sowie Fused Deposition Modeling (FDM) - Bauteile aus den Materialien Ultem 1010 und Ultem 9085 ermittelt. Die dynamische Prüfung von Kunststoffen ist aufgrund des kunststoffspezifischen Materialverhaltens mit einigen Besonderheiten verbunden. Bei metallischen Werkstoffen können höhere Prüfgeschwindigkeiten von z.B. 100 Hz genutzt werden, um eine hohe Schwingspielzahl in kurzer Zeit im Prüfstand zu erreichen. Kunststoffe haben die Eigenschaft durch innere Reibung der Moleküle bei gleichzeitig schlechten Wärmeleiteigenschaften und geringer Temperaturbeständigkeit bei hohen Prüffrequenzen den Erweichungstemperaturbereich zu erreichen. Dies führt zu einem frühzeitigen Versagen des Probekörpers. Somit sollten dynamische Prüfungen von Kunststoffbauteilen mit deutlich reduzierter Prüffrequenz im Vergleich zu metallischen Werkstoffen durchgeführt werden, was zu einer signifikanten Zunahme der Prüfungsdauer führt.

Neben den dynamischen Kennwerten werden für die FDM Materialien zusätzlich Kriecheigenschaften anhand von Langzeitprüfungen analysiert, indem die Versagenszeit für unterschiedliche Lastniveaus ermittelt wird.

Der Einsatz von Bauteilen als Endbauteil im Sichtbereich stellt in der Regel hohe Anforderungen an die Optik. Hierzu wurden in vorherigen Projekten am DMRC für die oben genannten Materialien chemische Möglichkeiten zur Oberflächenglättung analysiert. Chemische Methoden bieten den Vorteil einer effektiven Einebnung der meist rauen und welligen Oberfläche von additiv hergestellten Produkten. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projektes ist die Analyse des Einflusses der Chemikalien auf die dynamischen Festigkeitskennwerte und Kriecheigenschaften.