Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Nachbehandlungsverfahren auf die mechanischen Eigenschaften lasergesinterter Kunststoffbauteile

Das Lasersintern etabliert sich zusehends als Produktionsverfahren zur additiven Fertigung funktioneller (Klein-) Serienbauteile aus Kunststoff. Voraussetzung dafür ist, dass neben den gewünschten optischen und haptischen Eigenschaften auch die funktionellen Anforderungen sicher erfüllt werden. Hinsichtlich der Bauteildimensionierung stehen die Festigkeit und Zähigkeit einschließlich der Kerb- bzw. Schlagempfindlichkeit häufig im Fokus. Inwieweit diese durch die gängigen (Oberflächen-) Nachbehandlungen wie Glätten, Färben, Lackieren, Metallisieren und Infiltrieren verändert werden, ist bislang nicht (systematisch) untersucht. Dabei sind sowohl Verschlechterungen als auch Verbesserungen durch Reduktion innerer und äußerer Kerbwirkung möglich.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, diese seitens der Wirtschaft erkannte Wissenslücke zu schließen. Dazu soll das mechanische Verhalten (Festigkeit, Zähigkeit und Kerbempfindlichkeit) in Abhängigkeit von den Einflussfaktoren Wanddicke, Baurichtung und Nachbehandlung (-sverfahren/-sparametern) betrachtet und die zugrundeliegenden Ursachen sowie Wirkzusammenhänge aufgeklärt werden. Diese Erkenntnisse sollen anschließend auf weitere technisch relevante Lasersinterwerkstoffe übertragen und anhand dieser validiert werden. Aus der umfassenden Bewertung können schließlich Handlungsempfehlungen zur Produktgestaltung (Konstruktion), Herstellung und Nachbehandlungsverfahren abgeleitet werden.

Mit dem geschaffenen Grundlagenwissen sowie dessen Integration in Regelwerke sinken auch die Haftungsrisiken. Insgesamt werden die Entwicklung innovativer Anwendungen und Erschließung neuer Kundenmärkte erleichtert. Dies gilt für die Anwender der Lasersinter- und Oberflächentechnik genauso wie für die Dienstleister in diesen Sektoren, häufig KMU. Auch Ingenieur- und Prüfdienstleister profitieren durch Erweiterung ihres Portfolios sowie mittelfristig auch die Hersteller von Lasersinter- und Oberflächentechnik durch wachsende Absatzmärkte.

Ergebniszusammenfassung:

Das Lasersintern etabliert sich zusehends als Produktionsverfahren zur additiven Fertigung funktioneller (Klein-) Serienbauteile aus Kunststoff. Voraussetzung dafür ist, dass neben den gewünschten optischen und haptischen Eigenschaften auch die funktionellen Anforderungen sicher erfüllt werden. Hinsichtlich der Bauteildimensionierung stehen die Festigkeit und Zähigkeit einschließlich der Kerb- bzw. Schlagempfindlichkeit häufig im Fokus. Inwieweit diese durch gängige (Oberflächen-)Nachbehandlungen wie Gleitschleifen, Verdichtungsstrahlen, chemisches Glätten, Laserglätten, Färben und Infiltrieren verändert werden, wurde systematisch untersucht. Dabei wurde das mechanische Verhalten in Abhängigkeit von den Einflussfaktoren Wanddicke, Baurichtung und Nachbehandlung untersucht sowie Wirkzusammenhänge betrachtet. Die an Polyamid 12 erarbeiteten Erkenntnisse wurden anschließend auf Polyamid 11 und glasgefüllte Polyamid 12 Lasersinterwerkstoffe übertragen und anhand dieser validiert. Während das grundlegende mechanische Verhalten durch die Nachbehandlungen weitestgehend unbeeinflusst blieb, konnte die Zugfestigkeit sehr dünnwandiger Lasersinterteile durch die Oberfläche glättende Nachbehandlungsverfahrene tendenziell verbessert werden. Dabei blieb die stark ausgeprägte Baurichtungsabhängigkeit des mechanischen Verhaltens erhalten. Aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren sollten die konstruktive Auslegung lasergesinterter Kunststoffbauteile ebenso wie die Wahl der Werkstoffe, Fertigungs- und Nachbehandlungs(verfahrens)parameter im Hinblick auf die geforderten Anwendungseigenschaften erfolgen. Deren Erfüllung sollte insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen überprüft werden.