Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erforschung des Einflusses material- und prozessbedingter Eigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen auf Klebeprozesse zur Erhöhung der Verbindungsqualität

Im Anschluss an additive Fertigungsverfahren müssen die generierten Bauteile oft mit anderen Komponenten verbunden werden. Häufig werden hierzu Klebeverfahren eingesetzt. Das Ziel dieses Vorhabens ist das Erarbeiten von Erkenntnissen und Wissen über die Oberflächenvorbehandlung und die Klebbarkeit additiv gefertigter thermoplastischer Bauteile. Hierbei werden das Strangablegeverfahren (SAV) und das Lasersinterverfahren (LSV) betrachtet. Zunächst werden Bauteile mit verschiedenen Baurichtungen mittels SAV und LSV hergestellt und anschließend thermisch und physikalisch-mechanisch analysiert. Die Probekörper werden dann unter Verwendung verschiedener Methoden der Oberflächenaktivierung klebtechnisch gefügt. Anschließend werden die Verbindungen mechanisch und optisch untersucht und abschließend bewertet. Aus den Ergebnissen werden dann Konstruktions- und Designempfehlungen erarbeitet und diese durch Praxisbauteile aus dem pbA evaluiert. Angestrebt sind Erkenntnisse zum Einfluss u. a. des anisotropen Materialverhaltens (Schichtaufbau im SAV) sowie der Bauteilporosität (LSV) auf mikroskopische Effekte wie Adhäsion und Benetzung und deren gezielte Steuerung zur Haftungsverbesserung. Die geplanten Konstruktions- und Designempfehlungen sollen insbesondere kmU ohne eigene FuE bei der Verbesserung ihrer Entwicklungsabläufe zugutekommen. So kann die Produktqualität erhöht und Kosten durch Prozessoptimierungen gesenkt werden. Neben dem direkten Nutzen für die Produktentwicklung ergeben sich weitere Vorteile durch eine erhöhte Gestaltungsfreiheit bei der Teilekonstruktion sowie generell eine Akzeptanzsteigerung additiver Fertigungsverfahren. Entsprechend können weitere Anwendungsfelder erschlossen und das Potential additiver Fertigungsverfahren besser ausgeschöpft werden.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden erstmals Erkenntnisse über die Klebeignung von additiv gefertigten Bauteilen gewonnen. Der Fokus dieses Vorhabens lag auf der Optimierung des Klebprozesses von lasergesinterten Bauteilen aus Polyamid 12. Außerdem wurden auch mittels Strangablageverfahren hergestellte Bauteile aus einem neuartigem TPU-Werkstoff klebtechnisch untersucht. Darüber hinaus wurden notwendige Design- und Fertigungskriterien für zukünftige Anwendungen erarbeitet, welche eine branchenübergreifende Anwendung ermöglichen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden die lasergesinterten Proben aus PA12 mit verschiedenen Bauteilorientierungen im Sinterbauraum gefertigt sowie die Nachbehandlung der Oberfläche nach dem Sinterprozess variiert. Nachfolgend wurden die Prüfkörper mit verschiedenen Klebstoffen aus verschiedenen Klebstoffklassen geklebt und in Hinsicht auf die Zug- bzw. Scherfestigkeit hin untersucht. Ergänzend wurden die Bruchbilder bewertet sowie das Benetzungs- und Eindringungsverhalten in die raue Oberfläche untersucht. Durch die Optimierung des Vorbehandlungsprozesses konnten die Verbindungsfestigkeiten deutlich gesteigert werden. Die Designfreiheit des additiven Fügeverfahrens wurde ausgenutzt, um die Fügefläche zu strukturieren. Damit konnte die Verbindungsfestigkeit gesteigert werden. Außerdem wurde eine Bewertung der hydrothermalen Alterungsstabilität der Verbindungen vorgenommen.

Innerhalb der Arbeit konnten somit einige wertvolle Erkenntnisse über die Herstellungsbedingungen der LS-Bauteile sowie der Klebstoffauswahl und Wahl geeigneter Vorbehandlungsparameter für die das Kleben von lasergesinterten PA12 gewonnen werden. In einem kleineren Umfang konnte dies auch für mittels Strangablageverfahren hergestellte TPU Bauteile ermittelt werden. KMU aus dem Bereich additive Fertigung, Ingenieurbüros sowie Kunststoffschweißunternehmen können die Projektergebnisse bereits jetzt für die Bauteilauslegung und Konstruktion verwenden.