Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulation: Vorhersage und Optimierung des Strangschmelzens in der Fused Filament Fabrication

Additive Fertigungsverfahren haben seit ihrer Erfindung in den 1980er Jahren eine rasante Entwicklung genommen. Erfolgte ihr Einsatz bis vor wenigen Jahren noch fast ausschließlich im Bereich der Herstellung von Anschauungsmustern und Prototypen, erobern sie derzeit den Endkundenmarkt und gewinnen auch im industriellen Sektor enorm an Bedeutung. Die Wirtschaft sieht derzeit jedoch noch eine Reihe von Problemfeldern als Hemmschwelle für die industrielle Nutzung als vollwertige Fertigungsverfahren. Neben Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und Gestaltungsrichtlinien fehlen vor allem auch geeignete Methoden zur Prozesssimulation. Es gibt nur wenig wissenschaftliche oder industrielle Arbeiten die sich mit der Simulation extrusionsbasierter Verfahren wie der Fused Filament Fabrication (FFF) beschäftigen. Dies führt dazu, dass in der Verfahrens-, Prozess- und Bauteilentwicklung beim FFF-Druck fast keine Simulationen zum Einsatz kommen. Um dies zu ändern muss in einem ersten Schritt das Aufschmelzen und der Schmelzefluss in der Düse simuliert werden. Hier ist insbesondere von Bedeutung welche Schmelzequalitäten sich abhängig von den Verarbeitungsbedingungen, den Materialeigenschaften und den Geometriebedingungen ergeben. Außerdem ist Entscheidend welcher Druck benötigt wird um das Filament durch die Düse zu Drücken.

Ziel dieses Projekts ist deshalb die experimentell abgesicherte Simulation des Aufschmelzprozesses in FFF Düsen. Dabei werden sowohl amorphe als auch teilkristalline Materialien betrachtet. Als Ergebnis sollen Richtlinien zur Auslegung des Druckprozesses in Abhängigkeit der Düsengeometrie-, Material- und Verarbeitungsparameter vorliegen. Für KMU wird damit die Möglichkeit geschaffen die Druckbarkeit von Materialien bereits vor experimentellen Untersuchungen zu bewerten. Außerdem soll ein Simulationstool den Zugang zu nummerischen Simulation für KMU erleichtern. Davon können Anlagenhersteller, Beratungsunternehmen, Filamenthersteller und Anwender profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Additive Fertigungsverfahren erobern derzeit den Endkundenmarkt und gewinnen auch im industriellen Sektor immer mehr an Bedeutung. Allerdings fehlen neben Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und Gestaltungsrichtlinien vor allem auch geeignete Methoden zur Prozesssimulation. Es gibt nur wenige wissenschaftliche oder industrielle Arbeiten, die sich mit der Simulation des Fused Deposition Modeling (FDM) beschäftigen. Dies führt dazu, dass in der Verfahrens-, Prozess- und Bauteilentwicklung beim FDM-Druck fast keine Simulationen zum Einsatz kommen. Dies erschwert für Unternehmen die Einführung neuer Materialsysteme und die volle Potenzialausschöpfung des Fertigungsverfahrens. Für die Weiterentwicklung ist daher u. a. ein umfassenderes Verständnis von Prozess- und Materialverhalten unabdingbar.

Der Lösungsansatz war daher, die Vorgänge beim Druckprozess in Abhängigkeit der Düsengeometrie-, Material- und Verarbeitungsparameter sowohl experimentell als simulativ zu untersuchen, um so Aufschluss über die Vorgänge in der Druckerdüse zu geben. Dazu wurden geeignete Methoden zur messtechnischen Erfassung des Aufschmelz- und Fließverhaltens untersucht und numerische Modelle entwickelt, die diese Zwei-Phasenströmung beschreiben. Schließlich wurden Validierungsexperimente durchgeführt und mit den Berechnungen verglichen.

Basierend darauf konnte ein öffentlich zugängliches Simulationstool entwickelt werden, welches den Einstieg zu numerischen Simulationen für kleine und mittlere Unternehmen erleichtert und ihnen damit eine verbesserte Auslegung von FDM-Prozessen speziell angepasst an das einzusetzende Material ermöglicht. Außerdem kann das neu gewonnene Prozessverständnis durch die experimentellen und theoretischen Untersuchungen zudem zu einer Erhöhung der Produktqualität bereits bestehender Prozesse beitragen, wodurch insbesondere KMU ihre Position am Markt festigen können.