Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Phänomenologische Strategie zur Berücksichtigung prozessspezifischer Materialeigenschaften in der simulativen Auslegung von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen

Phänomenologische Strategie zur Berücksichtigung prozessspezifischer Materialeigenschaften in der simulativen Auslegung von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen

Entwicklung einer systematischen Auslegungsstrategie für additiv gefertigte Kunststoffbauteile, welche die Berücksichtigung der prozessbedingten Eigenschaften in Bezug auf das mechanische Verhalten erlaubt.

Der Anteil additiv gefertigter thermoplastischer Kunststoffbauteilen in lasttragenden Systemen steigt zunehmend. Prozessbedingt stellt sich ein äußerst komplexes Materialverhalten ein. Für eine materialgerechte Auslegung ist die Berücksichtigung der inhomogenen Eigenschaften erforderlich.

Durch eine einmalige Vermessung des Fertigungsraums für relevante Prozessfenster, wird eine Materialeigenschaftskarte erstellt und Inhomogenitäten erfasst. Mittels der Eigenschaftskarte werden für weitere Bauteile aus dem Fertigungsraum lokale Materialparameter abgeleitet.

Die Methode wird für das SLS Verfahren validiert. Durch die fertigungsraumbedingte Bestimmung der Materialeigenschaften, erfolgt die Parameterermittlung nur einmalig und Prozesseinflüsse werden implizit berücksichtigt. Dies ermöglicht eine vereinfachte Berücksichtigung in der Simulation.

Der Nutzen für kmU liegt darin, dass durch die Auslegungsstrategie die Auslegung von additiv gefertigten Bauteilen zuverlässiger erfolgen kann. Dadurch werden Kosten- und zeitaufwändige Iterationsschleifen in der Bauteilentwicklung verringert und Überdimensionierungen vermieden. Weiterhin wird das wirtschaftliche Risiko bei der zeitkritischen Abgabe von Angeboten vor der finalen Auslegungsphase minimiert und Fehlkonstruktionen verhindert. Entwicklungszeiten werden verkürzt, womit eine erhebliche Kostenreduktion ermöglicht wird. Unternehmen, die ihr Knowhow durch die Projektergebnisse erweitern, können sich einen deutlichen Kenntnisvorsprung verschaffen und zu einem gefragten Entwicklungspartner wachsen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine systematische Auslegungsstrategie für additiv gefertigte Kunststoffbauteile zu entwickeln, welche die Berücksichtigung der prozessbedingten Eigenschaften in Bezug auf das mechanische Verhalten erlaubt. Der Fokus lag dabei auf einem kosten- und ressourcenschonenden und zugleich anwenderfreundlichen Prozess, welcher insbesondere auch KMU zugänglich ist. Dieses Ziel wurde erreicht.

Diese systematische Auslegungsstrategie zeigt eine hinreichend hohe Abbildungsgüte der Struktursimulation von

Kunststoffbauteilen. Innerhalb des Forschungsvorhabens wurden die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen erarbeitet, um Ansätze für eine simulationsgestützte Bauteilauslegung mit Berücksichtigung der prozessinduzierten

Bauteileigenschaften zu entwickeln.

Hierzu wurde ein umfassender Versuchsplan erstellt. Die geprüften Proben wurden anschließend analysiert und bewertet. Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften, ausgehend von der Nachbehandlungsmethode, dem Tempern und der Positions-, Orientierungs- und Druckjobabhängigkeit wurde umfassend über quasistatische Zug- und Schubversuche beleuchtet. Über eine Studie der Maßhaltigkeit konnte eine Aussage zum druckerinternen automatischen Schwindungsausgleich getroffen werden.

Die Daten der quasistatischen Zug- und Schubversuche dienten als Grundlage für die Simulation. Über den Vergleich von Experiment und Simulation zweier komplexer Validierungsbauteile konnte gezeigt werden, dass die Abbildungsgüte der Struktursimulation hinreichend hoch ist. Vorteilhaft einer vorgeschalteten Simulation in der Bauteilauslegung ist die zeiteffiziente und ressourcenschonende Vorgehensweise.