Leseprobe
Table of content
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Additive Fertigung
2.2 Rapid Manufacturing
2.3 Selektives Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen
2.4 Pulverwerkstoffverhalten
2.4.1 Packungsdichte
2.4.2 Absorptionsverhalten
2.4.3 Wärmeleitfähigkeit
2.5 Füllstoffe und Additive
2.5.1 Gefüllte Polymere beim selektiven Laserstrahlschmelzen: aluminiumgefülltes Polyamid
2.5.2 Gefüllte Polymere beim selektiven Laserstrahlschmelzen: glasgefülltes Polyamid
2.6 Anforderungsanalyse
3 Werkstoffe
4 Versuchsdurchführung
4.1 Versuchsplan
4.2 Materialvorbehandlung
4.3 Verarbeitungsversuche
4.4 Methoden zur Pulvercharakterisierung
4.4.1 Schüttdichte und Porosität
4.4.2 Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie
4.4.3 Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten
4.4.4 Thermogravimetrische Analyse
4.5 Methoden zur Bauteilcharakterisierung
4.5.1 Auf-, Durchlicht- und Stereomikroskopie
4.5.2 Rasterelektronenmikroskopie
4.5.3 Bauteilmaßhaltigkeit
4.5.4 Mechanische Eigenschaften
4.5.5 Oberflächengüte
5 Ergebnisse und Auswertung
5.1 Einfluss von Füllstoffen und der Füllstoffkonzentration auf die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien
5.1.1 Einfluss auf die Schüttdichte
5.1.2 Einfluss auf das Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten
5.1.3 Thermogravimetrische Analyse
5.1.4 Einfluss auf das Reflexionsverhalten
5.2 Einfluss von Füllstoffen und der Einfluss von Prozessparametern auf die Bauteileigenschaften
5.2.1 Einfluss auf die Kontur- und Schichtabmessungen
5.2.2 Einfluss auf die geometrischen Bauteileigenschaften
5.2.3 Einfluss auf die Morphologie
5.2.4 Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften
5.2.5 Einfluss auf die Oberflächengüte
6 Zusammenfassung
Abkürzungsverzeichnis
Literaturverzeichnis
Anhang
1 Einleitung
Immer kürzer werdende Entwicklungszeiten, der Anspruch nach hohen Produktqualitäten und die Forderung nach einer schnellen Reaktion auf Kundenwünsche drängen zu neuen Lösungen in Entwicklung und Produktion. So hat sich beispielsweise die Zeitspanne zwischen Projektstart und Markteinführung von neuen Automobilen seit den 1990er Jahren mehr als halbiert. Heute liegt die Entwicklungszeit für neue Automobile unter zwei Jahren. Gleichzeitig erhöht sich jedoch die Anzahl der angebotenen Modelle der jeweiligen Original Equipment Manufacturer (OEM), was zu einer hohen Variantenzahl führt. [1]
Neue additive Fertigungsverfahren unterstützten bei der Erfüllung dieser Herausforderungen. So ist es möglich, individuelle Bauteile zu fertigen ohne dafür ein Werkzeug vorher herstellen zu müssen. Komplexe Geometrien können innerhalb von Stunden bis hin zu wenigen Tagen hergestellt werden, was mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen ein Vielfaches der Zeit und Kosten benötigen würde. In der hier vorliegenden Masterarbeit liegt der Fokus auf dem selektiven Laserstrahlschmelzen, auch bekannt als selektives Laserstrahlschmelzen, welches nach der Stereolithographie das bislang zweitbedeutendste Fertigungsverfahren auf diesem Gebiet ist [2]. Eine Hürde zur Marktdurchdringung des Verarbeitungsverfahrens ist jedoch die beschränkte Auswahl an Werkstoffen [3]. Die aktuell kommerziell erhältlichen Laserstrahlschmelzpolymere sind auf wenige teilkristalline Thermoplaste beschränkt. Diese Auswahl an Werkstoffen ist aber nicht immer ausreichend, wenn beispielsweise bestimmte mechanische Eigenschaften gefordert werden. Der Trend hin zu Rapid Manufacturing, also der Fertigung technisch nutzbarer Bauteile direkt aus CAD Daten, weckt das Interesse an der Modifizierung und Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Polyamid (PA), welches der am häufigsten eingesetzte Werkstoff beim selektiven Laserstrahlschmelzen ist. Dies kann durch Zugabe von Füllstoffen wie Glas, Silizium, Aluminium oder Kohlenstofffasern erreicht werden [4]. Die ursprünglich an den Polymeren geschätzten Werkstoffeigenschaften, wie die hohe Duktilität oder deren Einsatz als Isolatoren werden immer mehr in umgekehrter Weise gefordert: elektrisch leitfähig, fest, steif und wärmeleitfähig sollen Kunststoffe heute sein. Durch die Zugabe von Füllstoffen zum Grundpolymer kann diesen Forderungen Rechnung getragen werden. Die entstehenden Bauteile aus den Werkstoffmischungen haben dabei neue Werkstoffeigenschaften - verglichen mit den Eigenschaften der reinen Polymerwerkstoffe. [5]
Füllstoffe werden schon Jahrzehnte beim Spritzgießen eingesetzt. Im Bereich der additiven Fertigung ist in den letzten Jahren ein Trend dahingehend ersichtlich, dass versucht wird das Werkstoffspektrum durch neue Polymerblends und Compounds mit anorganischen Füllstoffen zu erweitern. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswahl an nutzbaren Werkstoffen gefüllter Polymere für das selektive Laserstrahlschmelzen zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit werden drei anorganische Füllstoffe verarbeitet: zwei Sorten Vollglaskugeln mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen, welche unter dem Namen Spheriglass 3000 (SG3000) und Spheri-glass 5000 (SG5000) vertrieben werden und eine Sorte Aluminiumflakes. Als Grundpolymer dient Polyamid 12 (Typ: PA2200, EOS GmbH). Dabei werden unterschiedliche Pulvermischungen hergestellt und verarbeitet. Ein besonderes Augenmerk der Untersuchungen liegt auf der Charakterisierung der Strahl-Stoff-Wechselwirkung. Dabei wird der Einfluss von Prozessparametern und Füllstoffen auf die Bauteileigenschaften analysiert. Daraus soll sich ableiten lassen, welche Verarbeitungsparameter und welche Füllstoffkonzentration bei der Verarbeitung der gefüllten Systeme sinnvoll erscheinen.
2 Grundlagen
2.1 Additive Fertigung
Mithilfe von generativen - respektive additiven - Fertigungsverfahren ist es möglich, Bauteile nach dem Schichtbauprinzip herzustellen. Das Bauteil wird in Schichten computergesteuert zerlegt. Als Basis dienen die 3D-Computerdaten. Während des anschließenden Fertigungsprozesses, wird Schicht auf Schicht zusammengefügt, bis ein fertiges Werkstück entsteht. Daraus ergeben sich folgende Eigenschaften additiver Fertigungsverfahren: [6, 7]
- Die Herstellung erfolgt nicht durch Abtragen, sondern durch schichtweises Hinzufügen von Material.
- Die Geometrie der Schichten wird direkt aus den 3D CAD-Daten abgeleitet.
- Die 3D-Beschreibung der Geometrie ist somit die Basis für den Bauprozess.
- Es wird kein Werkzeug zur Herstellung des Bauteils benötigt, die Herstellung erfolgt formfrei.
- Es können Teile mit hoher geometrischer Komplexität hergestellt werden.
Aus den genannten Eigenschaften können zwei große Vorteile dieser Fertigungsverfahren gegenüber herkömmlichen Kunststoffverarbeitungsverfahren abgeleitet werden: Die Herstellung von Bauteilen erfolgt ohne Werkzeug, sodass keine Werkzeugkosten anfallen. Durch die werkzeuglose Fertigung können auch Kleinserien gefertigt werden. Eine Fixkostendegression infolge von kostenintensivem Werkzeug kennt die additive Fertigung somit nicht. Weiter können Anpassungen am Bauteil ohne erheblichen Mehraufwand verwirklicht werden. Eine Werkzeugänderung in konventionellen Fertigungsverfahren, wie dem Kunststoffspritzguß, wäre im Gegensatz dazu aufwändig und teuer. Darüber hinaus gibt es bei additiven Fertigungsverfahren keine geometrischen Restriktionen. Der Herstellungsaufwand beim selektiven Laserstrahlschmelzen ist durch das Volumen und die Bauteilhöhe bestimmt. Die Bauteilkomplexität hat jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Fertigungszeit und die Herstellkosten. [6-8] Nichtsdestotrotz, für die klassische Serienfertigung in großen Stückzahlen sind diese additiven Fertigungsverfahren nach heutigem Stand der Technik noch zu unwirtschaftlich, hauptsächlich wegen der langen Prozesszeiten. Dies trifft insbesondere auf große Bauteile zu. [9]
2.2 Rapid Manufacturing
Die additiven Fertigungsverfahren gehören nach DIN 8589 zu den Urformverfahren. Gemäß Gebhardt (2013) [6] können die additiven Fertigungsverfahren in Abhängigkeit von ihrer Anwendung in Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing gegliedert werden. Wurden die additiven Fertigungsverfahren zu Beginn ihrer Entwicklung in erster Linie im Bereich des Prototypenbaus, dem Rapid Prototyping, eingesetzt, finden diese heute mehr und mehr in der Fertigung von Endprodukten Anwendung (Rapid Manufacturing) [9]. Rapid Manufacturing lässt sich in Direct Tooling und Direct Manufacturing unterteilen. Während beim Direct Tooling serientaugliche Werkzeuge mittels additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden, werden beim Direct Manufacturing Endprodukte mit diesem Fertigungsverfahren hergestellt. Im Allgemeinen haben diese Bauteile dieselben Eigenschaften wie auf dem Markt erhältliche Produkte. Daher kann hier von Serienbauteilen oder auch Zielteilen gesprochen werden. Ein Zielteil ist dabei ein Bauteil, das genau die Eigenschaften besitzt, welche in der Konstruktion für das Produkt festgelegt wurden. [6]
Von Anfang an war es die Intention der Erfinder, Endprodukte mittels additiver Fertigungsverfahren herzustellen und zwar Endprodukte, die mittels konventioneller Fertigungsverfahren nicht herzustellen sind. Hierbei muss erwähnt werden, dass nicht das Fertigungsverfahren darüber entscheidet, ob es sich um ein Endprodukt oder um einen Prototypen handelt. Vielmehr kommt es darauf an, ob die von der Konstruktion festgelegten Eigenschaften den Eigenschaften des Zielteils entsprechen. Dafür müssen die additiven Fertigungsverfahren nicht unbedingt dieselben Werkstoffeigenschaften erzielen wie konventionelle Fertigungsverfahren. [6] Werden die definierten Eigenschaften erreicht (z. B. mechanische Eigenschaften), so kann von einem Endprodukt gesprochen werden.
Ein wesentlicher Vorteil von Direct Manufacturing liegt in der sogenannten Funktionsintegration. Unter Funktionsintegration kann in der Konstruktionslehre verstanden werden, dass möglichst viele technische Funktionen mit wenigen Bauteilen realisiert werden [10]. In der Regel führt dies zu einer reduzierten Anzahl von Einzelteilen. In Folge reduziert sich der Aufwand für nachgelagerte Prozesse, z. B. die Montage. [11] Zur Verdeutlichung lässt sich hier ein Beispiel aus der Industrie anführen: Die Firma Hettich aus dem Raum Stuttgart stellt Zentrifugen her. Mithilfe dieser Geräte ist es möglich, beispielsweise Blutkonserven zu zentrifugieren (durch Drehbewegung Trennung von Bestandteilen der Gemische). Bei einer konventionellen Fertigung sind für die Serienproduktion dieser Geräte aufwändige Werkzeuge und eine zeitintensive Montage notwendig. Hettich fand für den Waschrotor der Zentrifugen einen Fertigungsansatz in der additiven Fertigung zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Funktionen können bereits während der Fertigung integriert werden und kostenintensive Montageschritte fallen weg. Folgende Ergebnisse konnten mit der Umstellung des Fertigungsverfahrens erreicht werden:
- der Rotor besteht nur noch aus drei anstatt 32 Montagekomponenten
- Werkzeuge sind nicht länger nötig
- es gibt kein kostspieliges Entgraten mehr. [12]
Hierbei kann von Direct Manufacturing gesprochen werden. Der Waschrotor entspricht dem Zielteil mit den vorher festgelegten Bauteileigenschaften.
2.3 Selektives Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen
Der selektive Laserstrahlschmelzprozess basiert auf dem Verschmelzen eines pulverartigen Ausgangsstoffes. Der mittlere Durchmesser dieser Kunststoffpulverpartikel beträgt in der Regel 50 bis 100 μm. Die für den Prozess erforderliche Energie wird durch Laserstrahlung eingebracht. Durch Absorption an den Pulverpartikeln wird die Strahlungsenergie des Lasers in Wärme umgewandelt. Der enge Fokus des Lasers schränkt den Wirkungsbereich lokal ein. Infolge der Strahlungsenergie wird der Werkstoff lokal auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt. Der aufgeschmolzene Kunststoff verbindet sich mit den benachbarten Körnern. Zur Herstellung von Bauteilen wird der Laser in parallelen Linien über die Pulverpartikel bewegt. Werden mehrere Linien nebeneinander mit einem geringen Abstand belichtet, so entsteht eine Schicht. Der Abstand zwischen den Linien ist so gering, dass sich diese überlappen und sich somit miteinander verbinden können [13]. Durch Absenken der fertig belichteten Schicht und erneutes Beschichten mit Pulver wird analog zur ersten Schicht die zweite Schicht erzeugt. Dabei verbindet sich die erste Schicht mit der gerade erzeugten Schicht [6]. Die Schmelztiefe des Lasers muss hierbei tiefer sein als die Höhe (Dicke) der zuvor aufgetragenen Pulverschicht, damit sich die Schichten miteinander vereinigen können. [13]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Selektives Laserstrahlschmelzen – Verfahrensprinzip [6] a) Pulverauftrag mittels Roller b) Belichtung mittels Laser c) Absenken der Plattform
Abbildung 1 zeigt das Verfahrensprinzip des selektiven Laserstrahlschmelzens. Der Prozess beginnt mit dem Pulverauftrag mittels Roller oder Rakel. Anschließend wir die Pulverschicht entsprechend mit dem CO2-Laser belichtet. Danach senkt sich das in dem Bauraumzylinder befindliche Pulverbett um eine Schichtdicke nach unten. [6]
Gegenüber dem konventionellen Sintern von metallischen und keramischen Werkstoffen unterscheidet sich das selektive Laserstrahlschmelzen dahingehend, dass kein Werkzeug zur Formgebung erforderlich ist [13] und dass das Laserstrahlschmelzen drucklos erfolgt. Bei Pulvermetallen hingegen wird das Pulver in eine Form gegeben und verdichtet. Durch das anschließende Sintern, das Aufheizen des Grünlings in einem Ofen unterhalb der Schmelztemperatur, entsteht ein Formteil [14]. Beim selektiven Laserstrahlschmelzen hingegen werden weder Formen (Werkzeuge) benötigt noch wird der Werkstoff mit Druck beaufschlagt. Weiter kommt es beim herkömmlichen Sintern von metallischen und keramischen Stoffen zur sogenannten Diffusion. Das bedeutet, dass sich die Atome zweier Stoffe gleichmäßig untereinander verteilen und sich so die Stoffe miteinander verbinden [14]. Beim selektiven Laserstrahlschmelzen hingegen kann davon ausgegangen werden, dass der Prozess nicht „diffusionsgesteuert“ abläuft. Die Pulverteilchen verschmelzen miteinander. Die Oberflächenspannung σ und die Viskosität des Werkstoffes bestimmen beim Laserstrahlschmelzen somit den Prozess. [13]
2.4 Pulverwerkstoffverhalten
2.4.1 Packungsdichte
Von wesentlicher Bedeutung beim Laserstrahlschmelzen ist die Packungsdichte. Die Packungsdichte beeinflusst die Schwindung/Schrumpfung während des Laserstrahlschmelzvorgangs. Die Packungsdichte
Durch Mischen von verschiedenen Pulverpartikelgrößen kann die Packungsdichte erhöht werden. Als Beispiel können hier bi- oder trimodale Partikelgrößenverteilungen genannt werden. Kleine Pulverpartikel füllen dabei die Hohlräume zwischen den größeren Pulverpartikeln aus. Für trimodale Pulver kann somit eine theoretische Packungsdichte von 0,95 erreicht werden. [17, 18]
Die Porosität [19]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
mit AH als Hohlraumschnittfläche und A als Gesamtfläche. Die Porosität ist folglich besonders gering für trimodale Pulver oder Pulver, die eine noch breitere Größenverteilung haben. In diesem Zusammenhang soll noch festgehalten werden, dass der Hohlraumanteil einer kubischen Packung immer gleich groß ist, egal welchen Durchmesser die Kugeln haben. Es besteht somit eine Unabhängigkeit der Porosität von der Pulverpartikelgröße bei regelmäßigen Partikelanordnungen mit gleichgroßen Partikeln.[19]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Korngrößenunabhängige Porosität bei regelmäßigen Partikelanordnungen [19]
Diese modellhafte Vorstellung tritt in der Praxis oft dann ein, wenn Haftkräfte zwischen den Pulverkörnern die Anordnung innerhalb der Packung nicht beeinflussen. Die ist dann der Fall, wenn die Pulverpartikel Korngrößen über circa 100 µm haben und die Partikel kohäsionslos und freifließend sind. [19] Die Partikelgrößen von den im Rahmen dieser Arbeit eingesetzten Polymer- und Füllstoffpulver sind jedoch feiner. Mit abnehmender Partikelgröße werden die Haftkräfte der Partikel größer als die Schwerkraft der Partikel. Die Anordnung der Partikel innerhalb der Packung wird in diesem Fall beeinflusst, so dass beispielsweise Hohlräume unausgefüllt bleiben können. Die Porosität steigt, so dass die Porosität von feinem Pulver teilweise wesentlich höher ist als die Porosität von grobem Pulver. [19]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: links: große Porosität bei feinen Pulvern (Haftkräfte) rechts: geringe Porosität mit einer breiten Partikelgrößenverteilung [19]
2.4.2 Absorptionsverhalten
Bei der Laserbearbeitung hängt das Bearbeitungsergebnis wesentlich von der im Werkstück aufgenommenen Energie pro Zeit ab. Ein Maß für die zur Bearbeitung zur Verfügung stehende Leistung ist Pabs oder der Absorptionsgrad. Der Absorptionsgrad berechnet sich aus der durch den Laser eingebrachten Leistung und der vom Werkstück absorbierten Leistung. [20]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die absorbierte Strahlungsenergie wird in Wärme umgewandelt [21]. Der Absorptionsgrad gibt dabei keine Auskunft darüber, wo sich die Strahlungsenergie im Werkstück lagert. Bei manchen Werkstoffen sammelt sich die Wärme beispielsweise an der Oberfläche des Werkstückes (z. B. Metallen). Nichtsdestotrotz, wird ein Werkstoff mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, so tritt neben dem Anteil der Absorption (A) auch Reflexion (R) und gegebenenfalls Transmission (T) auf. [13, 20, 22]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Absorption hängt dabei nicht nur von den reinen Werkstoffeigenschaften ab (z. B. elektrische Leitfähigkeit K oder Brechungsindex n), sondern auch von Oberflächeneigenschaften (z. B. Rauheit, Morphologie), der Geometrie des Werkstücks oder den Umgebungsbedingungen (z. B. Prozessgase) [20]. Auf einige wichtige optische Werkstoffeigenschaften für Polymere soll nachfolgend eingegangen werden. Vorab sei noch erwähnt, dass die in dieser Arbeit untersuchten Thermoplaste lichtundurchlässig sind, d. h. die Transmission kann im Rahmen dieser Arbeit vernachlässigt werden, nicht zuletzt weil die Schichten dick genug sind. [13, 23]
Seit den späten 1970er Jahren werden Thermoplaste mit dem Laser bearbeitet. So werden anfangs Fäden und Folien mittels CO2-Laser geschweißt. Später, in den frühen 1990er-Jahren, gelingt es Kunststofffolien nach dem Schweißen (Fügen) zu schneiden. Dennoch, Nonhof 1994 [24] kommt zu dem Ergebnis, dass sich für Polymere nicht alle Laserstrahlungen eignen. Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG-Laser, Festkörperlaser) dringen beispielsweise nur wenige Mikrometer weit in die Oberfläche von Polymeren ein. Kunststoffe als Isolatoren erreichen einen hohen Absorptionsgrad von über 90 % ab einer Laserwellenlänge λ von 7,5*10³ Nanometer. Die Wellenlänge von Nd:YAG-Laser liegt darunter, also bei circa 103 Nanometer. Ab einer Wellenlänge von 104 Nanometer (nm) werden Absorptionsgrade bei Polymeren von über 95 % erreicht (für glatte Oberflächen) [13, 23, 25, 26]. Dieser Zusammenhang, die Abhängigkeit des Absorptionsgrades von der Wellenlänge, erklärt den Einsatz von CO2-Lasern beim Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Absorptionsgrad in Abhängigkeit der Wellenlänge für Metalle und Isolatoren [27]
Abbildung 4 zeigt den Absorptionsgrad für Metalle und Isolatoren in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Generell gilt, dass Metalle eine hohe Absorptionsfähigkeit im Wellenlängenbereich 100 nm bis circa 400 nm (ultraviolett) besitzen. Dagegen haben Isolatoren, wie Kunststoffe, im ultravioletten Spektralbereich und zudem ab der Wellenlänge von mittlerem Infrarot (ab 3.000 nm) eine hohe Absorptionsfähigkeit. [27]
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Abbildung 5: Die wichtigsten Laserwellenlängen [27]
Abbildung 5 zeigt gängige Lasertypen mit den entsprechenden Laserwellenlängen. Durch die hohe Absorption des Kunststoffes im Längenwellenbereich des CO2-Lasers (λ=10,6 µm einer Wellenzahl von 943 cm-1) ist es beim selektiven Laserstrahlschmelzen nicht notwendig, einen IR-Absorber beizumischen [28-30].
Grundsätzlich können die wellenlängenabhängigen Absorptionsgrade mithilfe der fresnelschen Formel berechnet werden [28]. Die Absorption und Reflektion sind dabei vom Brechungsindex n abhängig. Der Brechungsindex n ist wiederum abhängig von der Wellenlänge der Strahlung. Dadurch wird klar, dass die Wellenlänge einer Strahlung über dem Brechindex die Absorption und Reflexion eines Werkstoffes beeinflusst. Der Brechungsindex kann nach dem Snelliussches Brechungsgesetz wie folgt ermittelt werden: [31]
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wobei α der Einfallswinkel des Lichtstrahls in ein Medium ist und β der Winkel des gebrochenen Strahls. Abbildung 6 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Lot, einfallender Lichtstrahl, reflektierter und gebrochener Lichtstrahl liegen in derselben Ebene. Der Einfallswinkel α ist bei glatten Oberflächen gleich dem Ausfallswinkel (Reflexionsgesetz: gerichtete Reflexion).
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Abbildung 6: Gerichtete Reflexion und Brechung an einer ebenen Oberfläche [21, 27]
Allerdings gibt es auch Grenzflächen mit großer Rauheit. Hierbei werden auftreffende Lichtstrahlen reflektiert, es ist jedoch kein Spiegelbild erkennbar. Die Oberfläche erscheint dem Betrachter matt. Abbildung 7 zeigt dieses Phänomen. Die Oberfläche hat dabei viele kleine spiegelnde Flächen, bei denen die Oberflächennormalen verschiedene Richtungen haben. Ein einfallendes Lichtbündel wird bei einer solchen Grenzfläche in viele Teilbündel zerlegt, welche alle möglichen Richtungen aufweisen können. Hierbei wird von diffuser Reflexion gesprochen. Die diffuse Reflexion tritt häufig zusammen mit der gerichteten Reflexion auf. [21, 32]
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Abbildung 7: Diffuse Reflexion [32]
Hänsch 2001 [21] untersucht den Einfluss der Oberflächenstruktur von schwarz pigmentierten POM (Polyoxymethylen)-Bauteilen auf das Reflexionsverhalten. Dabei wird die gerichtete Reflexion bei Bauteilen mit zunehmender Oberflächenrauheit gemessen. Es wird erwartet, dass der Anteil der gerichteten Reflexion mit zunehmender Rauheit abnimmt. Trotz veränderter Oberflächen konnte jedoch kein Unterscheid bei der gerichteten Reflexion festgestellt werden. Alle Bauteile ergeben einen Reflexionsgrad um den für glatte Oberflächen berechneten Reflexionsgrad von 3,87 %.
Beim selektiven Laserstrahlschmelzen trifft die Strahlung in der Regel nahezu senkrecht auf die Oberfläche des Polymers [28]. Dadurch kann die fresnelsche Formel zur quantitativen Beschreibung von Reflexion, Transmission und Absorption einer elektromagnetischen Welle an einer glatten Oberfläche vereinfacht werden. Bei einem angenommenen Brechungsindex n1=nLuft=nVakuum=1 ergibt sich somit zur Berechnung des Reflexionsgrades an der Oberfläche: [21, 28] (2.6) wobei n2 wiederum dem Brechungsindex des entsprechenden Polymers entspricht. Die Reflektion ist somit in diesem Fall nur von dem Brechungsindex des Mediums (Polymers) abhängig [21]. Brechzahlen sind jedoch, wie erwähnt, im Allgemeinen von der Wellenlänge λ abhängig. Brechzahlen werden in der Literatur für eine Wellenlänge von 589,3 nm angegeben (Natrium-D-Linie). Mit zunehmender Wellenlänge verringern sich die Brechzahlen für Polymere jedoch. Für die Wellenlänge des CO2-Lasers (λ=10,6 µm) wird in der Literatur für Polymere n~1,5 angegeben [13]. Für Polyamid bei λ=589,3 nm ergibt sich n~1,53 [33]. Exakte Brechwerte für Polyamid bei λ=10,6 µm sind aus der Literatur nicht ersichtlich. Dennoch, bei n=1,5 ergibt sich ein rechnerischer Reflexionsgrad von 4,0 %.
Aus der Formel 2.6 kann schlussgefolgert werden, dass Werkstoffe mit hohem Brechindex n zu einer hohen Reflexion führen. Der Brechungsindex an sich ist eine dimensionslose Größe und ist definiert durch das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit cVakuum zur Lichtgeschwindigkeit des Mediums cMedium: [27]
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Formel 2.7 sagt aus, dass die Brechzahl die Wellengeschwindigkeit des Mediums verringert. Je höher die Brechzahl, desto niedriger die Wellengeschwindigkeit und folglich auch desto niedriger die Wellenlänge (bei gleicher Frequenz, c=λ*f). Abbildung 8 verdeutlicht diesen Zusammenhang.
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Abbildung 8: Abklingen der Schwingung beim Auftreffen auf ein Medium [27]
Die Dämpfung der Schwingung führt zu einer Energieumwandlung. Die absorbierte Strahlung wird größtenteils in Wärme umgewandelt [21]. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass über den wellenlängenabhängigen Brechungsindex n die Absorption und Reflexion eines beliebigen Werkstoffes ermittelt werden kann. Die Brechung einer Lichtwelle an der Grenzfläche zwischen Luft/Vakuum und einem Medium führt zu einer reduzierten Wellenlänge und Wellengeschwindigkeit. Dadurch entsteht Wärme, welche für den Verarbeitungsprozess genutzt werden kann. Entscheidend ist, dass Energiestrahlung in den Prozess mit der Wellenlänge eingebracht wird, so dass der Brechindex zwischen den Medien möglichst klein ist. Dadurch kann eine geringe Reflexion und eine hohe Absorption an der Grenzfläche zwischen Luft/Vakuum und Werkstück erreicht werden.
Nachfolgend soll kurz auf die optischen Eigenschaften von den in dieser Arbeit verwendeten Füllstoffen Aluminium und Glas eingegangen werden. Wie bereits erwähnt, Polymere haben bei der Wellenlänge des CO2-Lasers einen Brechindex n von circa 1,5. Das entspricht einer Reflexion von 4,0 %. Aber, die in diesem Abschnitt angegebenen Reflexions-, Absorptions- und Transmissionsgrade sind Literaturwerte. Die Literaturwerte beziehen sich auf glatte Oberflächen. Diese Werte bei Feststoffen können sich zu den Reflexions-, Absorptions- und Transmissionsgraden bei Pulverwerkstoffen unterscheiden.
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Abbildung 9: Brechindizes n in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für Aluminium [34, 35]
Abbildung 9 zeigt den Brechindex von Aluminium in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Für Aluminium ergibt sich bei der Wellenlänge des CO2-Lasers ein Brechungsindex von etwa n=24. Daraus ergibt sich bei senkrechter Lichteinstrahlung eine rechnerische Reflexion von 98,8 %. [34, 35]
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Abbildung 10: Brechindizes n in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für Glas [36, 37]
Abbildung 10 zeigt den Brechindex von Glas (Schott IRG22) in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Für dieses Glas ergibt sich bei der Wellenlänge des CO2-Lasers ein Brechungsindex von etwa n=2,5. Daraus ergibt sich bei senkrechter Lichteinstrahlung eine rechnerische Reflexion von 18,2 %. Bei dem Schott IRG22 handelt es sich um ein Infrarotglas. Bei Standardgläsern von verschiedenen Herstellern ergibt sich ein geringerer Brechungsindex von etwa n=1,5. Die Reflexion ist hierbei dementsprechend geringer (4 %). Keiner der Hersteller von Standardgläsern gibt jedoch den Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 10 µm an. Schott gibt für die IRG-Gläser Brechungsindizes in diesem Wellenlängenbereich an, weshalb dieses Glas für Abbildung 10 ausgewählt wurde. Hierbei muss jedoch angeführt werden, dass sich die Brechindizes bei Glas im Wellenlängenbereich von 0 bis 10 µm generell nur ungefähr ein Zehntel µm verändern. Folglich kann bei Standardgläsern mit einem Brechungsindex von ~1,5 bei λ=10,6 µm kalkuliert werden. Die Reflexion ist somit bei Gläsern gering. Jedoch sind Gläser für ihre guten optischen Eigenschaften bezüglich ihrer Transmission bekannt. [36, 37]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: Transmission von Fensterglas in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ [38]
Abbildung 11 zeigt die Transmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge für Fensterglas. Im Bereich des für den Menschen sichtbaren Lichts (~400-700 nm) liegt der Transmissionsgrad von Gläsern bei circa 90 %. Im Wellenlängenbereich des CO2-Lasers hingegen ist die Transmission vernachlässigbar. Somit kann festgehalten werden, dass Glas im Wellenlängenbereich des CO2-Lasers eine geringe Reflexion und zugleich geringe Transmission hat (wie die Kunststoffe auch). Somit sollten bei Glas, wie bei den Kunststoffen, hohe Absorptionsgrade von Strahlungsenergie in diesem Wellenlängenbereich zu erreichen sein. Nichtsdestotrotz, der hohe Reflexionsgrad von Aluminium soll in den Versuchen beobachtet werden. Bei hohen Füllstoffkonzentrationen mit Aluminium ist es vorstellbar, dass der Absorptionsgrad der Pulvermischung geringer ist als der Absorptionsgrad ohne Füllstoff und dies Auswirkungen auf die Schichtdicke hat.
Abschließend soll der Vollständigkeit halber das Absorptionsverhalten der Werkstoffe im Wellenlängenbereich der Infrarotstrahler (λ=1 µm) untersucht werden. Dabei kann folgendes festgehalten werden:
- Polyamid 6 hat in diesem Wellenlängenbereich ein Transmissionsvermögen von ~70 % [39]. Der Brechindex beträgt n~1,54. Die Reflexion beläuft sich somit auf einen Prozentsatz im einstelligen Bereich. Der Rest ist Absorption (~20 %). Im Vergleich zum Absorptionsgrad bei Einwirkung eines CO2-Lasers (>95 %) ist die Absorption von Polyamid 6 bei Einwirkung von Infrarotstrahlung relativ gering. [39]
- Glas ändert seinen Brechindex im Wellenlängenbereich von 0-10 µm unwesentlich (Abbildung 10). Was sich jedoch ändert ist die Transmission (Abbildung 11) und folglich auch der Absorptionsgrad. Bei Infrarotstrahlung transmittiert Glas ~90 % der Strahlungsenergie und absorbiert dementsprechend lediglich ~5 % (bei n=1,5). Im Wellenlängenbereich des CO2-Lasers hingegen ist die Transmission vernachlässigbar. [36]
- Bei Aluminium wurde festgestellt, dass dieser Werkstoff eine rechnerische Reflexion von 98,8 % bei der Wellenlänge des CO2-Lasers hat. Bei Infrarotstrahlung hingegen hat Aluminium einen Brechindex von n=1,51, was einem Reflexionsgrad von ~4 % entspricht. Die Transmission beträgt 0 %. Folglich wird die Infrarotstrahlung zu >95 % von Aluminium absorbiert. [34]
Diese optischen Werkstoffeigenschaften, sowohl bei Strahlenergieeinwirkung durch CO2-Laser als auch durch Infrarotstrahlung, werden bei den Versuchen dieser Arbeit berücksichtigt. Dadurch sollen, in Abhängigkeit von der Strahl-Stoff-Wechselwirkung, für entsprechende Füllstoffkonzentrationen die optimalen Verarbeitungsparameter ermittelt werden. Dass die Infrarotstrahlung sowohl vom Kunststoff als auch vom Glas eher transmittiert als absorbiert wird spielt allerdings eine untergeordnete Rolle. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei ausreichend langer Einwirkung von Infrarotstrahlung sämtliche Werkstoffpartikel vollständig auf die Zieltemperatur aufgeheizt werden, unabhängig von der Art des Werkstoffes. Bei der Wechselwirkung zwischen Pulver und Laserstrahlung hingegen mag das Absorptionsverhalten von Polymer und Füllstoff eine größere Rolle spielen. Die pro Zeiteinheit vom Material resorbierbare Strahlungsenergie ist hier entscheidend.
2.4.3 Wärmeleitfähigkeit
Grundsätzlich lassen sich drei Mechanismen des Wärmetransports unterscheiden: die Wärmeleitung, die Wärmestrahlung und die Konvektion. Die Grundlage zur Wärmeübertragung liefert der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: der Wärmefluss bewegt sich von dem höheren Temperaturniveau zu dem niedrigeren Temperaturniveau. [40, 41]
Bei der Wärmestrahlung erfolgt der Energietransport durch elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 0,8 µm bis 0,8 mm. Feste und flüssige Materialien sowie Gase können Strahlung aufnehmen, reflektieren und transmittieren.
Der konvektive Wärmetransport erfolgt durch Teilchenbewegung in flüssigen und gasförmigen Medien. Hierbei wird zwischen der freien und der erzwungen Konvektion unterschieden. Bei der erzwungenen Konvektion wird beispielsweise eine Strömung durch ein Gebläse erzeugt, also durch Krafteinwirkung von außen. Bei der freien Konvektion entsteht Strömung durch Dichteunterschiede im Schwerefeld der Erde, welche auf Temperaturunterschieden basieren. So bewirkt eine beheizte Wand bei einem daneben ruhenden Fluid eine Auftriebsströmung. Im Gegensatz zur Wärmeleitung geschieht die Wärmeübertragung bei der Konvektion durch Stoffaustausch und Stofftransport eines flüssigen oder gasförmigen Mediums. Beim selektiven Laserstrahlschmelzen können konvektive Wärmeverluste durch das Schutzgas entstehen. [13, 42]
Die Wärmeleitung ist ein Transportvorgang im atomaren/molekularen Bereich. Sie gibt an, welche Wärmemenge bei einem Kelvin Temperaturdifferenz innerhalb einer festgelegten Zeit durch einen Werkstoff läuft. Die Energieübertragung erfolgt zwischen den schwingenden Molekülen durch Berührung (Impulsaustausch) [40, 43, 44]. Im Gegensatz zur Konvektion ist es bei der Wärmeleitung möglich, dass Wärmeübertragung durch ein ruhendes Medium stattfindet [13]. Die Theorien der Wärmeleitung sind abstrakt. Sie dienen vornehmlich der Berechnung der Materialeigenschaft Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch die aus der Thermodynamik bekannten Größen Temperatur, Wärmestrom und Wärmestromdichte erfasst werden. Im nachfolgenden soll näher auf die Wärmeleitfähigkeit eingegangen werden. In der Lehre von der Wärmeübertragung wird, wie in der Thermodynamik, die Temperatur T verwendet. Dabei kommt es nicht auf den Nullpunkt von T an sondern vielmehr auf Temperaturdifferenzen. Solche Differenzen werden mit ϑ benannt: [42]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wird der Temperaturgradient als Ursache von Wärmeströmen in einem wärmeleitenden Werkstoff angesehen, so ergibt sich für die Wärmestromdichte (Grundgesetz der Wärmeleitung nach Fourier (1822)): [42]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
mit der auftretenden Materialkonstanten λ, als der Wärmeleitfähigkeit. Das in der Gleichung auftretende Minuszeichen berücksichtigt die Strömung der Wärme in Richtung des Temperaturgefälles (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Die Wärmeleitfähigkeit λ ist abhängig von Druck und Temperatur ϑ: [42]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die SI-Einheit von λ ist Watt pro Kelvin und Meter. Die Druckabhängigkeit der Wärmeleitung muss nur bei Gasen und Flüssigkeiten beachtet werden und die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitung ist häufig vernachlässigbar [42].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Werkstoffe [42-44]
Tabelle 1 zeigt die Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Werkstoffe. Kunststoffe haben im Vergleich zu Metallen eine sehr geringe Leitfähigkeit. Die verschiedenen Kunststofftypen unterscheiden sich hingegen unwesentlich untereinander; diese können zwischen 0,1 und 0,32 W/mk eingeordnet werden. Nicht zu unterschätzen ist sicherlich auch Luft beim selektiven Laserstrahlschmelzen, welche zwischen den Partikeln vorherrscht. Luft besitzt eine geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den Kunststoffen (λLuft~λStickstoff).
Die Wärmeausbreitung in Pulvern wird von der Wärmeleitfähigkeit derselben bestimmt und damit von deren Dichte. Die schlecht leitenden Gase in den Zwischenräumen des Pulvers führen zu schlechter Wärmeleitung zu Beginn des Sinterprozesses. Durch das Sintern des Pulvers verringert sich der Wärmeleitungswiderstand. Dennoch, bildet sich eine schmelzflüssige Phase neben der festen Phase des Pulvers so tritt neben der Wärmeleitung (feste Phase) auch eine Wärmekonvektion (flüssige Phase) auf. [13, 45] Nöken [13] kommt zu dem Ergebnis, dass beim selektiven Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen circa 92 % der eingebrachten Laserenergie absorbiert werden. Von diesen 92 % gehen lediglich 0,01 % Wärmestrom durch Konvektion und ebenfalls 0,01 % Wärmestrom durch Strahlung verloren. Somit ergibt sich eine Wärmeleitung in die Pulverschicht von 91,98 % der Strahlungsenergie des Lasers. Wärmeverluststrom durch Konvektion und Strahlung sind hier somit vernachlässigbar. [13]
2.5 Füllstoffe und Additive
Zur Modifizierung der Polymere hinsichtlich Verarbeitbarkeit, der Eigenschaften und der Alterungsbeständigkeit werden unter anderem bei der Compoundierung Hilfsstoffe zugegeben [46]. Das Aufbereiten (Compoundieren) des Kunststoffes ist ein wichtiger Prozessschritt vor der Kunststoffverarbeitung. Neben dem Dosieren von Polymer und Zusatzstoff erfolgt beim Aufbereiten das Mischen, Homogenisieren und das Ausbringen in einen für die Weiterverarbeitung erforderlichen Zustand (z. B. Granulieren). [30] Der Aufbereitungsprozess in der Kunststoffverarbeitung ist nachfolgend abgebildet.
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Abbildung 12: Aufbereitung von Kunststoffen [30]
Auch Kunststoffe, die in der additiven Fertigung zum Einsatz kommen, enthalten Hilfsstoffe. Das Kunststoffpulver beim selektiven Laserstrahlschmelzen wird schichtweise in 100 µm Schichten aufgebracht. Wesentlich ist dabei, dass das Pulver gleichmäßig und unter geringen Schubspannungen auf die davor teilweise mit dem Laser aufgeschmolzene Schicht aufgebracht wird. Somit werden folgende Forderungen an das Kunststoffpulver beim selektiven Laserstrahlschmelzen gestellt: [30]
- monodisperse Pulver mit in etwa gleichem Partikeldurchmesser (gleiche chemische und physikalische Eigenschaften)
- sphärische Partikelform (gleichmäßiger Energieeintrag)
- kein Kleben der Partikel aneinander (Oberflächenspannung, Elektrostatik).
Diese Anforderungen erklären unter anderem die weite Verbreitung von Polyamid 12 für das selektive Laserstrahlschmelzen. Bei der Polymersynthese liegt der Werkstoff in Pulverform und in der für dieses Fertigungsverfahren benötigten geometrischen Form vor. Jedoch können bei diesem Herstellungsprozess, der Polykondensation, nur bedingt Hilfsstoffe eingebracht werden. Eine weitere Möglichkeit, Kunststoffpulver herzustellen, ist das Mahlen von Pulverfraktionen in einer Mühle, z. B. Prallmühle. [30]
Nichtsdestotrotz, der jährliche Bedarf an Hilfsstoffen ist enorm. Füllstoffe bilden den größten Anteil an Hilfsstoffen (15 Millionen Tonnen im Jahr 2005) gefolgt von Weichmachern und Pigmenten (Additiven) [46, 47]. Der größte Anteil an Füllstoffen weltweit entfällt auf Ruß aufgrund des enormen Bedarfes der Elastomerindustrie [46]. Neben Ruß werden mengenmäßig Calciumcarbonat und Talkum häufig eingesetzt [46].
Additive werden in der Regel bis zu maximal fünf Volumenprozente (Vol.-%) dem Polymer zugegeben, während Füllstoffe und Verstärkungsfasern zwischen 10 und 50 Vol.-% beigemischt werden [30].
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Tabelle 2: In der Kunststoffindustrie eingesetzte Additive, Füllstoffe und Fasern [30, 46]
Tabelle 2 zeigt eine Übersicht über gängige Additive, Füllstoffe und Fasern. In der Literatur wird diese Unterscheidung oft nicht gemacht. Additive und Füllstoffe werden häufig synonym verwendet. Nachfolgend sollen die Füllstoffe näher betrachtet werden, welche die Basis der vorliegenden Arbeit bilden. Durch Füllstoffe können nicht nur Kosten reduziert werden (Einsparung von teurem Kunststoff), sondern Füllstoffe können auch die Verarbeitbarkeit (Wärmeleitfähigkeit), Steifigkeit, Duktilität und Maßhaltigkeit positiv beeinflussen [46]. Manche Füllstoffe übernehmen zudem zugleich die Funktion von Additiven (z. B. Aluminiumhydroxid als Flammschutzmittel) [46].
Im Allgemeinen können durch Füllstoffe die folgende Eigenschaften am fertigen Bauteil beeinflusst werden: [48]
- Kostenreduktion: Generell lassen sich die Kosten eines Bauteils senken, wenn der Füllstoff günstiger ist als der Matrixwerkstoff. Die Füllstoffpreise hängen stark von der Partikelgrößenverteilung, der Oberflächenbeschaffenheit, der Reinheit des Füllstoffes und vielen weiteren Faktoren ab. Generell lässt sich jedoch feststellen, dass lediglich Kalziumkarbonat als Füllstoff günstiger ist als gängige amorphe und teilkristalline Polymere (Vergleich Vol.-% Polymer / Vol.-% Füllstoff). Gleichzeitig geht mit der Verwendung dieses Füllstoffs eine Verschlechterung von vielen mechanischen Eigenschaften einher. Folglich gibt es weitere Motive, Füllstoffe für Compounds, abgesehen von Kostenmotiven, einzusetzen. Einige werden nachfolgend aufgeführt.
- Dichte: Füllstoffe können die Dichte des fertigen Bauteils erhöhen oder verringern. Die Dichte von Füllstoffen reicht von 3 g/100 ml bis zu 1.935 g/100 ml. Gängige Dichten von Compounds bewegen sich im Bereich < 200 g/100 ml.
- Die optischen Eigenschaften von Bauteilen aus Compounds hängen von den physikalischen Eigenschaften von Füllstoff und Polymer hab. Den größten Einfluss auf diese Eigenschaften hat der Brechungsindex der beiden Werkstoffe. Einige Füllstoffe absorbieren Licht dabei gut (z. B. Talk), andere hingegen, z. B. Nanofüllstoffe, nehmen Licht schlecht auf.
- Farbe: Viele Füllstoffe haben eine unverwechselbare Farbe. Aluminium als Füllstoff beispielsweise sorgt für eine metallische Optik.
- Oberflächeneigenschaften: Talk wird bereits Jahre eingesetzt, um beim Kabel- und Profilextrudieren glatte Oberflächen zu erhalten. Beim Spritzgießen werden Aluminium-Hydroxide verwendet, um glatte Oberflächeneigenschaften zu erzielen. PTFE als Kunststofffüllstoff, aber auch Grafit oder Molybdändisulfid ermöglichen die Herstellung von Bauteilen, welche selbstschmierend sind. Füllstoffe beeinflussen somit maßgeblich die Oberflächeneigenschaften von Bauteilen.
- Bauteilgestalt: Füllstoffe reduzieren Schwindung und Verzug, unter anderem von geschäumten Kunststoffen. Glimmer und Glasfasern als Füllstoff erhöhen die Wärmeformbeständigkeit von Bauteilen.
- Thermische Eigenschaften: Zum einen können Füllstoffe als thermische Isolatoren dienen. Am besten dafür eignen sich hohle Füllstoffe mit kugelförmigen Oberflächen. Andererseits erhöhen metallische und andere thermisch leitfähige Füllstoffe die Wärmeleitfähigkeit des Bauteils.
- Elektrische Eigenschaften: Der elektrische Widerstand und andere elektrische Eigenschaften können durch die Auswahl eines Füllstoffes beeinflusst werden. Die elektrische Leitfähigkeit kann durch leitfähige Füllstoffe und Fasern erhöht werden. Der elektrische Widerstand hingegen wird durch Füllstoffe erhöht, die beispielsweise bei der Isolierung von Kabeln zum Einsatz kommen.
- Magnetische Eigenschaften: Ferrit als Füllstoff führt zu ferromagnetischen Eigenschaften. Das gefüllte Kunststoffbauteil kann als Kunststoffmagnet eingesetzt werden.
- Mechanische Eigenschaften: Alle mechanischen Eigenschaften werden durch Füllstoffe beeinflusst.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Füllstoffe für gewöhnlich nicht die Kosten des fertigen Produkts senken. Es gibt jedoch viele andere Gründe, warum Füllstoffe heute oft eingesetzt werden. Die Bauteileigenschaften von Kunststoffbauteilen können so modifiziert werden, dass sie den Eigenschaftsanforderungen an das fertige Produkt gerecht werden. Die Einsatzmöglichkeiten von Kunststoffbauteilen haben somit stark mit dem Einsatz von Füllstoffen in der Kunststoffverarbeitung zugenommen. [48]
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Tabelle 3: Aspect ratio von Füllstoffformen [46]
Bevor auf die Tabelle eingegangen wird soll festgehalten werden, dass diese genannten Füllstoffeigenschaften nach George Wypych 2010 (Handbook of Fillers) [48] die wichtigsten Eigenschaften sind, um Füllstoffe zu klassifizieren und zu kategorisieren. Bei der großen Vielzahl an Füllstoffen, kann eine systematische Einteilung dieser hilfreich sein. Aus Tabelle 3 kann entnommen werden, dass Glaskugeln als Füllstoffe eingruppiert werden während Aluminiumplättchen (Aluminiumflakes) als Verstärkungsmittel eingruppiert werden. Inwieweit Glaskugeln das fertige Bauteil auch verstärken, ist Thema dieser Arbeit. Es ist gut vorstellbar, dass Glaskugeln auch die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen positiv beeinflussen. Im Allgemeinen kann jedoch gesagt werden, dass Pulverpartikel als Füllstoff nur die Steifigkeit der Bauteile heraufsetzen [5, 53]. Die Zugfestigkeit wird meist herabgesetzt [5, 53]. Die Zunahme der Steifigkeit bei Abnahme der Zugfestigkeit erfolgt somit durch die Zunahme der Sprödigkeit. Pulverpartikel sollen nur dann eine verstärkende Wirkung haben, wenn es sich um sehr feine (20-80 nm) und gut dispergierte Pulver als Füllstoffe handelt (z. B. Aktivkohlepartikel) [53]. Die Korngrößen der in dieser Arbeit zu untersuchenden Pulverfüllstoffe liegen jedoch im zweistelligen Mikrometer-Bereich. Daher kann keine Zunahme der Zugfestigkeit bei der Zugabe von diesem Pulverfüllstoff erwartet werden, vor allem nicht bei höheren Füllstoffkonzentrationen [5]. Es kann jedoch bei pulvergefüllten Bauteilen von verbesserten Oberflächtengüten, verbesserten Steifigkeiten und reduzierten Verzügen ausgegangen werden [5].
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Abbildung 13: Biegemodul mit Talk und Wollastonit als Pulverfüllstoff [5]
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Abbildung 14: Zugfestigkeit mit Talk und Wollastonit als Pulverfüllstoff [5]
Abbildung 13 und Abbildung 14 zeigt exemplarisch den Einfluss von Talk und Wollastonit als Pulverfüllstoff auf das Biegemodul und die Zugfestigkeit. Während das Biegemodul mit zunehmendem Füllstoffgrad zunimmt, nimmt die Zugfestigkeit bei ansteigendem Füllstoffgehalt ab. Weiter stellt Kusy 1986 [5] fest, dass mit steigendem Pulverfüllstoffanteil die Schlagzähigkeit abnimmt. Die Wärmeformbeständigkeit nimmt hingegen zu. Darüber hinaus vergleicht er Glaspulver mit Haftvermittler als Füllstoff gegenüber Glaspulver ohne Haftvermittler als Füllstoff. Er kommt zu dem Ergebnis, dass ein Haftvermittler die mechanischen Eigenschaften nicht verbessert. [5]
Im Gegensatz zu Pulverfüllstoffen sind Faserfüllstoffe festigkeitserhöhende Zusatzstoffe. Wesentliches Kennzeichen von Fasern ist das hohe Aspektverhältnis. Eingebettet in ein Polymer werden die auf das Polymer eingeleiteten Kräfte auf den Füllstoff übertragen, welcher das Polymer entlastet (abhängig von der kritischen Faserlänge). Den hohen Zugfestigkeiten steht jedoch eine geringe Druckfestigkeit der Fasern entgegen. Kräfte quer zur Faserrichtung führen in der Regel zum Ausknicken oder zum Bruch der Faser. [54]
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Füllstoffe, die eine größere Länge als Dicke aufweisen, die Festigkeit von spritzgegossenen Bauteilen erhöhen. Jedoch spielt bei vielen Bauteilen neben der Festigkeit auch die Steifigkeit eine wichtige Rolle. Kugelförmige Partikel als Füllstoff, mit einem Seitenverhältnis von ungefähr eins, wirken meist steifigkeitserhöhend. Das verformungsfähige Matrixvolumen des Polymers wird durch einen sehr steifen Füllstoff ersetzt (z. B. Glas). Ein weiterer Vorteil von kugelförmigen Partikeln ist die einfache Verarbeitbarkeit und oft auch der geringe Preis. [54] Generell kann gesagt werden, dass die in diesem Abschnitt dargestellten Ergebnisse über Einflüsse von Füllstoffen auf spritzgegossene Bauteile als Basis für die vorliegende Arbeit genommen werden können. Die Einflüsse von Füllstoffen auf laserstrahlgeschmolzene Bauteile sollten ähnlich sein wie die Einflüsse von Füllstoffen auf die spritzgegossenen Bauteile.
2.5.1 Gefüllte Polymere beim selektiven Laserstrahlschmelzen: aluminiumgefülltes Polyamid
Es wurden bereits Untersuchungen zu unterschiedlich gefüllten Systemen mit Polymermatrix beim selektiven Laserstrahlschmelzen durchgeführt. Einen Überblick über diese vorhergehenden Untersuchungen sollen dieser und der folgende Abschnitt geben.
Mazzoli et. al 2007 [55] präsentieren in ihrem Forschungsbericht die Untersuchungsergebnisse von aluminiumgefülltem Polyamid. Diese Werkstoffmischung ist vielversprechend für Einsatzbereiche, in denen bespielweise eine Metalloptik, hohe Steifigkeiten oder gute Weiterverarbeitungseigenschaften gefordert werden. Für die Versuche wird als Basis Polyamid 12 (Typ: Duraform) eingesetzt. Dieses Polyamidpulver wird mit Aluminiumkugeln vermischt. Über die Volumenprozentgehalte werden in dem Bericht keine Angaben gemacht. Weiter werden keine Angaben zu den Verarbeitungsparametern und dem Anlagenhersteller gemacht. Dennoch, Mazzoli et. al kommen zu folgenden Untersuchungsergebnissen: [55]
- Die Schmelztemperatur von 100 % Duraform Polyamid liegt bei ca. 182 °C, die von aluminiumgefülltem Polyamid beläuft sich auf 185 °C. Beide Schmelztemperaturen sind somit auf einem ähnlichen Niveau.
- Die Druckfestigkeit von Duraform und aluminiumgefülltem Polyamid ist in etwa gleich. Die Biegefestigkeit hingegen liegt beim aluminiumgefüllten Polyamid mit ca. 90 MPa höher als bei Duraform (ca. 70 MPa).
- Die Bauteile aus aluminiumgefülltem Polyamid können gut bearbeitet werden (z. B. durch Bohren und Fräsen).
- Die Bauteile aus aluminiumgefülltem Polyamid sind im hundertstel Millimeterbereich maßgenau. Die Bauteile aus Duraform weisen eine Maßgenauigkeit im zehntel Millimeterbereich auf.
Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass selektive Laserstrahlschmelzteile auf Basis von aluminiumgefülltem Polyamid, verglichen mit 100% Polyamidbauteilen, eine hohe geometrische Maßgenauigkeit aufweisen. Weiter sind diese Bauteile mechanisch fester und gut nachbearbeitbar. Mazzoli et. al [55] halten zudem fest, dass die Oberflächengüte von diesen Laserstrahlschmelzbauteilen besser ist als die Oberflächengüte von Bauteilen, die aus reinem Polyamid hergestellt wurden. [55] Dennoch werden von Mazzoli et. al [55] keine Parameterstudien gemacht. Auch gehen Ergebnisse zu Zugversuchen und aus Oberflächengütemessungen aus diesem Bericht nicht hervor. Hier setzt die vorliegende Forschungsarbeit an. Die Oberflächengüte, die Mechanik und die Maßhaltigkeit aluminiumgefüllter Bauteile in Abhängigkeit von Verarbeitungsparametern sollen im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden.
2.5.2 Gefüllte Polymere beim selektiven Laserstrahlschmelzen: glasgefülltes Polyamid
Forderhase et. al 1995 [56] stellen in ihrem Konferenzbericht Verbundwerkstoffe mit Polyamid 12 als Basiswerkstoff vor. Dabei haben sie Polyamid 12 mit unterschiedlichen Volumenanteil en an Glasfasern und Glaskugeln gemischt. Als Ergebnis konnte eine für das selektive Laserstrahlschmelzen optimierte Materialmischung entwickelt werden, welche 29 Vol.-% Glaskugeln (35 µ m Durchmesser) enthält und kommerziell erhältlich ist. Diese Werkstoffmischung bietet eine höhere Steifigkeit und Festigkeit der fertigen Bauteile sowie eine verbesserte Hitzebeständigkeit gegenüber ungefülltem Polyamid. Mit diesem neu entwickelten Material für das selektive Laserstrahlschmelzen sind die mechanischen Bauteileigenschaften ähnlich der Eigenschaften von spritzgegossenen Bauteilen auf Basis von gefüllten Thermoplasten. Es konnte festgestellt werden, dass sich der Elastizitätsmodul bis ca. 29 Vol.-% mit zunehmendem Anteil an Glaskugeln gleichbleibend erhöht. Bei höherem Glaskugelanteil konnte eine beträchtliche Porosität nachgewiesen werden. Dadurch ist die Beziehung Glaskugelanteil/Elastizitätsmodul ab 30 Vol.-% nicht mehr genau prognostizierbar. Forderhase et. al halten zudem fest, dass Glaspulver mit Partikelgrößen zwischen 4 und 11 µ m eine schlechte Fließfähigkeit aufweisen. Bei hohen Temperaturen kommt es zu interpartikulären Reibung bei diesem sehr feinen Pulver. Große Glaspartikel hingegen mit 114 µ m weisen bei 29 Vol.-% eine niedrigere Bruchdehnung und Zugfestigkeit auf als Glaspartikel mit einem mittlerem Partikeldurchmesser von 35 µ m bei demselben Füllstoffgehalt. Auf Basis dieser Daten haben Forderhase et. al ein mit 29 Vol.-% gefülltes Polyamid entwickelt. Die Glaskugeln haben dabei eine mittlere Größe von 35 µ m. Dieses Material verbessert zu den mechanischen Eigenschaften auch die Verarbeitung. Beispiele sind das große Verarbeitungsfenster, verringerter Bauteilverzug und das vereinfachte Entfernen des Partcakes. Zu den Verarbeitungsparametern und der Verarbeitungsanlage werden in dem Konferenzbericht keine Angaben gemacht. [56]
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Tabelle 4: Mechanische Kennwerte: Polyamid verglichen mit gefülltem Polyamid [56]
Tabelle 4 zeigt die mechanischen Eigenschaften der von Forderhase et. al untersuchten Proben. Während der E-Modul bei den mit Glas gefüllten Proben etwa doppelt so hoch ist wie bei den ungefüllten Proben, ist die Zugfestigkeit etwa 30 % höher. Die Bruchdehnung und die Kerbschlagzähigkeit sind jedoch bei mit Glas gefüllten Proben geringer.
Chung und Das 2006 [57] präsentieren in ihrem Konferenzpapier die optimalen Prozessparameter von glasgefülltem Polyamid 11. Der Füllstoffgehalt beträgt dabei bis zu 30 Vol.-%. Die Bauteile werden auf der Sinterstation 2000 hergestellt. Chung und Das [57] wählen für ihre Versuche Glaspulver von Potters Industries. Die Partikelgrößen sollen 10 µm nicht unterschreiten (schlechte Fließfähigkeit) und 150 µm nicht überschreiten, da eine Schichtdicke zwischen 100 und 200 µm beträgt. Die Partikelgrößenverteilung ergibt, dass die Mehrheit der Polyamid 11-Pulverpartikel zwischen 106 und 150 µm groß ist wobei das Mittel der Glaspartikel im Bereich zwischen 43 und 63 µm liegt. Die verschiedenen Füllstoffanteile werden vor den Versuchen 24 Stunden lang in einem Rotationsmischer mit dem Polymer gemischt. Ziel ist es, Verarbeitungsparameter zu finden, bei denen eine hohe Bauteilqualität erreicht wird. Vor diesem Hintergrund werden Verarbeitungsparameter bestimmt, die zu vollständig dichten Bauteilen führen und bei denen die geometrischen Eigenschaften mit den definierten Eigenschaften übereinstimmen. Als Ausgangspunkt werden die vom Maschinenhersteller empfohlenen Verarbeitungsparameter verwendet, welche jedoch nicht zu den gewünschten Bauteileigenschaften führen. Anschließend werden eine Obergrenze und eine Untergrenze für unterschiedliche Verarbeitungsparameter definiert. Werden die maximale Laserleistung (Obergrenze) und die minimale Scangeschwindigkeit (Untergrenze) miteinander kombiniert, so kommt es zu einem stark geschmolzenen Pulver, welches Rauch entwickelt und welches sich nahe an der Zersetzungstemperatur befindet. Werden hingegen die minimale Laserleistung und die maximale Scangeschwindigkeit miteinander kombiniert, so können schlecht verschmolzene Pulverpartikel beobachtet werden. Weiter führen eine Aufheiztemperatur über der Obergrenze zu einem Aufschmelzen der Pulverpartikel (ohne Lasereinwirkung) und eine Aufheiztemperatur unter der Untergrenze zu einem Verzug der ersten gesinterten Schicht, was ein Sintern von weiteren Schichten unmöglich macht. [57] Nach diesem systematischen Vorgehen werden die folgenden Verarbeitungsparameter festgehalten:
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Tabelle 5: Optimale Verarbeitungsparameter für vier verschiedene PA11/Glaspulver Mischungen [57]
Tabelle 5 zeigt die optimalen Verarbeitungsparameter für vier verschiedene PA11/Glas Kompositionen aus den Versuchen von Chung und Das [57]. Die optimalen Parameter sind für alle vier Kompositionen gleich. Auf Basis dieser Parameter weisen die Bauteile eine Dichte > 99,0 % auf. Chung und Das [57] kommen darüber hinaus zu dem Ergebnis, dass die Laserleistung, verglichen mit der Scangeschwindigkeit und der Aufheiztemperatur, den größten Einfluss auf die Schmelztiefe hat. Die Scangeschwindigkeit hat unter diesen drei Parametern den geringsten Einfluss auf die Schmelztiefe. Daher sollte im Hinblick auf eine hohe Dichte des Bauteils ein besonderes Augenmerk auf die richtige Laserleistung gelegt werden. Eine Schmelztiefe, die geringer ist als die Schichtdicke, führt zu Porosität beziehungsweise zur Delamination. Chung und Das [57] haben in ihren Experimenten für alle Mischungen eine Schmelztiefe von 120-130 µm bei einer Schichtdicke von ~100 µm erzielen können. [57]
Sowohl Forderhase et. al 1995 [56] als auch Chung und Das 2006 [57] verwenden das Modell von Halpin 1992 [58], welches mechanische Eigenschaften von gefüllten Werkstoffen vorhersagt. Gemäß diesem Modell verhalten sich Gemisch und Polymermatrix wie folgt: [57, 58]
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wobei Ec dem E-Modul der Mischung entspricht, Em dem E-Modul der entsprechenden Kunststoffmatrix und Ef dem E-Modul der Glaskugeln. Die Faktoren für diese Art von Füllstoff beträgt 2. [56] Forderhase et. al und Chung/Das kommen zu dem Ergebnis, dass die E-Modul-Werte aus ihren Versuchen gut mit den Werten von Halpin’s Modell übereinstimmen. Chung/Das stellen darüber hinaus dasselbe für die Kompressionsmodulwerte fest. Im Allgemeinen lässt sich festhalten, dass die Elastizitäts- und Kompressionsmodule der Mischungen mit zunehmendem Füllstoffgehalt zunehmen. Dies gilt solange, bis die Packungsdichte erreicht ist. Die Bruchdehnung hingegen nimmt mit steigendem Füllstoffgehalt ab. [56, 57]
Mousa 2014 [4] zeigt in seinem Forschungsbericht den Einfluss von Haftvermittler auf die mechanischen Eigenschaften von Polyamid 12 Mischungen. Als Haftvermittler kommt dabei Silan zum Einsatz. Das Silan stellt die Bindung zwischen dem anorganischen Füllstoff (z. B. Glas, Metall) und dem organischen Polymer her. Nichtsdestotrotz, Mousa verwendet als Füllstoff Glaskugeln (Typ: Spheriglass 3000CP00 und 3000CP03 von Potters Industries). Spheriglass 3000CP00 ist dabei an der Oberfläche unmodifiziert, wobei Spheriglass 3000CP03 mit Silan beschichtet ist. Er variiert den Mischungsanteil an Glaskugeln zwischen
10 und 40 Gewichtsprozenten (Gew.-%). Die Werkstoffe werden vor den Versuchen in einem Mischer für 30 Minuten lang gemischt. Folgende Verarbeitungsparameter werden zur Herstellung der Bauteile verwendet:
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Tabelle 6: Prozessparameter zur Herstellung der Prüfkörper (Mousa) [4]
Tabelle 6 zeigt die Verarbeitungsparameter von Mousa zur Herstellung der Proben mit 10 bis 40 Gew.-% Glasfüllstoffanteil. Auffallend ist hierbei die hohe Energiedichte von 0,73 J/mm³ bei einer Laserleistung von 10 Watt – im Vergleich zu konventionellen Energiedichten bei ungefüllten Materialien von 0,40 J/mm³ [81]. Dennoch, die hergestellten Bauteile auf Basis dieser Verarbeitungsparameter führen zu folgenden Ergebnissen bezüglich der mechanischen Eigenschaften: [4]
- Die Zugfestigkeit bei der Mischung aus Polyamid 12 und unbeschichtetem
Spheriglass 3000CP00 steigt zunächst von 53 MPa bei 10 Gew.-% auf 55 MPa bei 20 Gew.-%. Über einem Anteil von 20 Gew.-% führt eine Erhöhung des Glaskugelanteils jedoch zu einer Abnahme der Zugfestigkeit. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass mit steigendem Glasanteil der Anteil an Polyamid abnimmt und es zu einer zunehmenden Mikroporosität kommt.
- Die Mischung aus Polyamid und beschichtetem Spheriglass 3000CP03 führt zu gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften – auch bei 30 und 40 Gew.-% an Glaskugeln. Dies kann laut Mousa [4] auf eine verbesserte Oberflächenadhäsion zurückgeführt werden, welche durch den Haftvermittler ermöglich wird.
- Wie in vorhergehenden Arbeiten beschrieben, so stellt auch Mousa fest, dass mit zunehmendem Glaskugelanteil die entsprechenden Elastizitätsmodule ansteigen. Dies gilt sowohl für die mit unbeschichteten wie auch für die mit beschichteten Glaskugeln hergestellten Proben. Das E-Modul steigt von ca. 2.000 MPa bei 100 %-PA12-Proben auf ca. 3.500 MPa bei einer mit 40 Gew.-% gefüllten Probe an. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die Elastizitäten der Proben mit beschichtetem und unbeschichtetem Füllstoff jeweils ähnlich sind. Es kann somit schlussgefolgert werden, dass die Füllstoffbeschichtung und somit ein Haftvermittler keine bemerkenswerten Einflüsse auf die Steifigkeit der Proben hat.
- Die Bruchdehnung nimmt mit zunehmendem Füllstoffanteil ab. Dies gilt sowohl für Proben mit beschichtetem sowie für Proben mit unbeschichtetem Glaspulveranteil. Eine Ursache kann darin gesehen werden, dass mit zunehmendem Glaspulveranteil der Anteil an duktiler Kunststoffmatrix abnimmt. Eine weitere Ursache für die abnehmenden Bruchdehnungen kann in der schwachen Bindung zwischen Polyamid und Glas gesehen werden. Diese Bindung hält Deformationen nicht Stand.
- Die Biegefestigkeit und das Biegemodul nehmen mit zunehmendem Füllstoffanteil stetig zu. Die Messwerte von Proben mit beschichtetem Glaspulver sind etwas höher als die Messwerte von Proben mit unbeschichtetem Glaspulver. Der Haftvermittler sorgt dafür, dass sich die PA12 Matrix sphärisch um die Glaskugeln bildet. Weiter führt der Haftvermittler zu einer weichen (zähen) Matrix, was kleinen Rissen entgegenwirkt.
- Die Schlagzähigkeit steigt bis 10 Gew.-% an. Ab 20 Gew.-% nimmt die Schlagzähigkeit bedeutend ab. Die Ursache dafür kann, wie bei der Bruchdehnung auch, darin gesehen werden, dass mit zunehmendem Glaspulveranteil der Anteil an duktiler Kunststoffmatrix abnimmt.
Abgesehen von den mit einer Energiedichte von 0,73 J/mm³ hergestellten Bauteilen stellt Mousa [4] fest, dass die höchste Dichte bei Bauteilen mit einer Energiedichte von 1,0 J/mm³ erreicht wird. Die Dichte des fertigen Bauteils liegt dabei bei 0,96 g/cm³. [4]
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Haftvermittler keinen mechanischen Kennwert wesentlich verändert. Manche Kennwerte, wie die Biegefestigkeit und die Zugfestigkeit, sind bei den Proben mit beschichteten Glaskugeln etwas höher, vor allem bei hohen Füllstoffkonzentrationen. Der Elastizitätsmodul ist jedoch bei den Proben mit beschichteten und unbeschichteten Glaskugeln identisch. Bei hohen Mischungsverhältnissen kann es bei Glaskugeln/-pulver somit sinnvoll sein, einen Haftvermittler einzusetzen. Dieser sollte dafür sorgen, dass sich der verhältnismäßig geringe Matrixanteil gut mit dem anorganischen Füllstoff verbindet.
Forderhase et. al [56] stellen in ihrem Bericht lediglich die mechanischen Kennwerte für eine Füllstoffkonzentration von glasgefülltem PA12-Pulver vor (29 Vol.-% Füllgrad). Aussagen über optimale Verarbeitungsparameter bei dieser Pulvermischung werden jedoch nicht gemacht. Hier setzt die vorliegende Arbeit an. Es werden Parameterstudien durchgeführt und ausgewertet.
Chung und Das [57] zeigen die optimalen Verarbeitungsparameter von mit Glas gefülltem Polyamid 11 (10 bis 30 Vol.-%). Aus der Scangeschwindigkeit von 1.257 mm/s, der Laserleistung von 4,5 Watt, dem Hatchabstand von 0,254 mm und der Schichtdicke von 0,102 mm (Tabelle 5) ergeben sich eine rechnerische Energiedichte von 0,14 J/mm³. Diese Energiedichte erscheint sehr gering im Vergleich zu konventionellen Energiedichten bei ungefüllten Materialien von 0,40 J/mm³ [81]. Der Einfluss der Energiedichte auf die Porosität und die Maßhaltigkeit soll im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden. Aus dieser Analyse können erste Rückschlüsse auf optimale Parameter von glasgefüllten Systemen gezogen werden.
Im Gegensatz zu Chung und Das [57] verwendet Mousa [4] zur Verarbeitung von glasgefülltem Polyamid 12 eine Energiedichte von 0,73 J/mm³. Diese ist damit höher als die konventionelle Energiedichte von 0,40 J/mm³ von ungefüllten Systemen [81]. Wie sich unterschiedliche Verarbeitungsparameter auf Bauteileigenschaften auswirken und welche Parameter für unterschiedliche Füllgrade sinnvoll erscheinen, soll im Rahmen dieser Arbeit geklärt werden.
Dennoch, der Einfluss von Glas als Füllstoff beim Laserstrahlschmelzen auf die Oberflächengüte ist in keinem der vorliegenden Forschungsarbeiten untersucht worden. Auch wurde in keiner dieser Arbeiten die Maßhaltigkeit von gefüllten Bauteilen beim Laserstrahlschmelzen untersucht. Die mechanischen Eigenschaften werden von Forderhase et. al [56] nur von einer Füllstoffkonzentration vorgestellt. Diese Forschungslücke soll mit dieser Arbeit geschlossen werden: Zuerst soll der Einfluss von Füllstoff und Füllgrad auf die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien untersucht werden. Darauf aufbauend soll der Einfluss von Füllstoffen und der Einfluss von Prozessparametern auf die Bauteileigenschaften (Geometrie, Mechanik, Oberflächengüte) analysiert werden.
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