Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Methodik zur Charakterisierung von Werkstoffen und Oberflächen hinsichtlich ihrer Eignung als Dauerdruckplatten für additive Fertigungsverfahren (Strangablegeverfahren)

Im additiven Strangablegeverfahren ist die Haftung der ersten Schicht auf der Bauplattform essentiell.

Einerseits muss eine ausreichend hohe Adhäsion zum abgelegten Strang aufgebaut werden können, andererseits soll sich das Bauteil nach dem Fertigungsprozess auch wieder von der Druckplatte lösen lassen. Die Qualität dieser ersten Schicht muss allerdings entsprechend hoch sein, da bei vielen Anwendungen diese Kontaktfläche zu Sichtflächen am Bauteil gehört.

Mit dem stark zunehmenden Materialangebot steigen auch die Anforderungen an die Druckplatten. Eine fundierte Plattenauswahl, eine Vorhersage der Haftung auf diesen sowie die Bestimmung des Verschleißes nach mehrmaligem Gebrauch ist aufgrund der fehlenden systematischen und wissenschaftlichen Studien heute nicht möglich.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die wissenschaftliche Erarbeitung eines umfangreichen Verständnisses der Haftungsmechanismen während des Bauprozesses bei den Strangablegeverfahren, um die derzeitigen Entwicklungsrisiken für Dauerdruckplatten und Fertigungsrisiken von Bauteilen zu verringern. Die Eignung der Materialpaarung und die Ausbildung des Haftungsverhaltens sollen bewertet und vorhergesagt werden, um mögliche Haftungsprobleme bereits vor dem additiven Herstellungsprozess identifizieren und vermeiden zu können. Die KMU - Anwender und Konstrukteure - sollen dafür praxisrelevante Konstruktionsrichtlinien und Gestaltungshinweise sowie eine vereinfachte Analysemethode erhalten.

Zur Untersuchung der Haftung soll der thermodynamische Adhäsionsansatz verfolgt werden, der für den entsprechenden relevanten Temperaturbereich erweitert werden soll. In umfangreichen Versuchsreihen wird der Einfluss der Verarbeitungstemperatur auf die Haftung von verschiedenen Plattform-Kunststoff-Paarungen untersucht. Schwerpunkt ist hier die Methodenentwicklung zur Ermittlung der Adhäsion sowie die Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Charakterisierung der Temperaturabhängigkeit der Haftung.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Prüfmethodik zur Bestimmung der Haftung zwischen Druckplattformen und gedruckten Bauteilen entwickelt. Diese erlaubte die anwendungsnahe Charakterisierung der Druckplatten und Filamente hinsichtlich ihrer Haftung. Zudem wurden verschiedene mögliche Einflussfaktoren mithilfe von thermischen und topographischen Analysen untersucht.

Neben den analytischen Untersuchungen der Einzelkomponenten wurden auch Abzugsversuche mit gedruckten Probekörpern durchgeführt. Hierfür wurde ein mobiles Prüfgerät zur Charakterisierung der Haftung entwickelt. Nachdem die optimierte Probekörpergeometrie in mehreren Iterationsschleifen ermittelt wurde, wurden Messungen auf der Bauplattform durchgeführt.

Die Relevanz des Forschungsvorhabens für KMU liegt vor allem in dem Wissenszugewinn über die materialabhängige Haftung von Filamentmaterialien und Druckplattformen bei Strangablegeverfahren. Durch die Untersuchungsergebnisse wurden die effektiven branchenübergreifenden Auswahlmöglichkeiten für Kombinationen aus Filamenten und Druckplattformen für Strangablegeverfahren erweitert.

Diese systematischen und anwendungsorientierten Untersuchungen waren notwendig, um materialabhängige Haftung von Filamentmaterialien und Druckplattformen bei Strangablegeverfahren aufzuzeigen. Weiterhin wurden Restriktionen ermittelt. Bekannte Charakterisierungsverfahren aus der Lackier- und Klebtechnik lassen sich bisher nicht auf die Charakterisierung von Druckplattformen bei entsprechenden Einsatztemperaturen oberhalb der Raumtemperatur für Strangablegeverfahren übertragen. Dies erspart KMU-geprägten Anwendern aufwendige Versuche und Investitionen in Charakterisierungsgeräte für Kontaktwinkelmessungen. Dennoch kann die mobile Prüfvorrichtung für die Haftungscharakterisierung von Filamentmaterialien und Druckplattformen unter Prozessbedingungen direkt in der Fertigung angewendet werden und steht für Versuche seitens der Industrie zur Verfügung.