Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ressourcenschonende Kleinserienproduktion durch Kunststoff-Laser-Sintern - Einfluss der Anisotropie und Oberflächenstruktur auf die statischen und dynamischen Langzeiteigenschaften von laser-gesinterten Bauteilen (LZE-LS II)

Die additiven Fertigungsverfahren, insbesondere das Laser-Sintern (LS), haben in den letzten Jahren zunehmend an industrieller Bedeutung gewonnen. Dies ist vor allem auf ihre verfahrensimmanenten Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren, wie dem Spritzguss, zurückzuführen. So können durch die werkzeuglose Fertigung mittels CO2-Lasers hochkomplexe Bauteile in kleinen bis mittleren Stückzahlen ressourceneffizient gefertigt werden. Die geltenden Konstruktionsrichtlinien der konventionellen Fertigung, wie beispielsweise die Vermeidung von Hinterschneidungen, gelten für das Laser-Sintern nicht. Durch die Überwindung verschiedener Limitationsfaktoren wie z.B. der fehlenden Kenntnis über die thermischen Langzeiteigenschaften sowie deren Stabilisierungen, wurde im vorangegangenen Forschungsvorhaben LZE-LS das Anwendungsfeld dieser Technik zunehmend von der reinen Prototypen- hin zur Serienfertigung erweitert. Es zeigten sich bereits signifikante Unterschiede im Langzeitverhalten von lasergesinterten Bauteilen gegenüber Spritzgussbauteilen, die es weiterhin zu untersuchen gilt. Für den Serieneinsatz fehlen jedoch Kenntnisse über die dynamischen und statischen mechanischen Langzeiteigenschaften, die z.B. durch die raue Oberfläche einen dominierenden Einfluss auf die Dauergebrauchseigenschaften entwickeln können und über geeignete Nachbehandlungsschritte angepasst werden können. Das vollständige Eigenschaftsprofil und die Möglichkeiten der Nachbehandlungen sind für konventionelle Bauteile bereits Stand der Technik. Für LS-Bauteile hingegen sind diese ein unerforschtes Gebiet woraus sich in Kombination mit den mechanischen Langzeiteigenschaften ein wesentlicher Limitationsfaktor für den LS-Prozess ergibt.

Da diese Untersuchungen zeit- und kostenintensiv sind, ist die Ermittlung dieser Kennwerte für KMUs nur im Verbund dieses Projektes realisierbar und ermöglicht somit die Überführung dieser Technik in die ressourceneffiziente Serienanwendung.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projekts war die Ermittlung der anisotropen Langzeiteigenschaften von LS-Bauteilen und die gezielte Steigerung der Bauteileigenschaften durch Nachbehandlungsschritte.

Die Untersuchungen reichen vom Kurzzeitverhalten über Einflüsse der Prozessparameter bis hin zum mechanischen Langzeitverhalten unter Ermittlung des Einflusses von systematisch variierten Nachbehandlungsstrategien. Hierdurch werden neben der gezielten Anpassung der Bauteileigenschaften an den jeweiligen Belastungsfall der Einfluss auf das Bauteilverhalten grundlegend untersucht.

Die Ermittlung potenzieller Einflussgrößen erfolgt durch die systematische Ermittlung der inneren und äußeren Bauteileigenschaften, die von der mikroskopischen Betrachtung über die Oberflächenmessung reichen, um gezielt Wirkzusammenhänge mit den mechanischen Eigenschaften herauszuarbeiten.

In Abhängigkeit der Nachbehandlung ergeben sich unterschiedliche Mechanismen innerhalb der Bauteile. Die chemische Nachbehandlung wird dabei wesentlich durch die Diffusion der verwendeten Chemikalie und der Löslichkeit des Kunststoffs bestimmt. Hier kommt es entweder zu morphologischen Änderungen im Randbereich, die einen Anstieg der Bruchdehnung bedingen können oder zu einer Versprödung und somit Abnahme der mechanischen Eigenschaften. Jedoch konnte eine Nachbehandlungsstrategie für komplexe Bauteile abgeleitet werden, die eine Steigerung der Bruchdehnung und Reduktion der Rauheit bewirkt, ohne die mechanischen Langzeiteigenschaften zu beeinträchtigen. Weiterhin zeigte sich nur ein anisotropes Verhalten bei dynamischen Dauergebrauch. Gerade für additiv gefertigte Bauteile mit komplexen Geometrien, mit Hinterschnitten und bionischen Strukturen zeigt die hier entwickelte dampfartige Nachbehandlung mit Trifluoressigsäure große Vorteile. Somit kann durch die gewonnenen Ergebnisse eine gezielte Nachbehandlung der Bauteile für den jeweiligen Anwendungsfall erfolgen, wodurch neue Einsatzmöglichkeiten generiert werden konnten.