Füllstoffe werden schon Jahrzehnte beim Spritzgießen eingesetzt. Im Bereich der additiven Fertigung geht der Trend in den letzten Jahren dahin, das Werkstoffspektrum durch neue Polymerblends und Compounds mit anorganischen Füllstoffen zu erweitern. Ziel der Arbeit ist es, die Auswahl an nutzbaren Werkstoffen gefüllter Polymere für das selektive Laserstrahlschmelzen zu erweitern.
Es werden dafür drei anorganische Füllstoffe verarbeitet: zwei Sorten Vollglaskugeln mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen, welche unter dem Namen Spheriglass 3000 (SG3000) und Spheriglass 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.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Grundlagen
- Additive Fertigung
- Rapid Manufacturing
- Selektives Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen
- Pulverwerkstoffverhalten
- Packungsdichte
- Absorptionsverhalten
- Wärmeleitfähigkeit
- Füllstoffe und Additive
- Gefüllte Polymere beim selektiven Laserstrahlschmelzen: aluminiumgefülltes Polyamid
- Gefüllte Polymere beim selektiven Laserstrahlschmelzen: glasgefülltes Polyamid
- Anforderungsanalyse
- Werkstoffe
- Versuchsdurchführung
- Versuchsplan
- Materialvorbehandlung
- Verarbeitungsversuche
- Methoden zur Pulvercharakterisierung
- Schüttdichte und Porosität
- Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie
- Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten
- Thermogravimetrische Analyse
- Methoden zur Bauteilcharakterisierung
- Auf-, Durchlicht- und Stereomikroskopie
- Rasterelektronenmikroskopie
- Bauteilmaßhaltigkeit
- Mechanische Eigenschaften
- Oberflächengüte
- Ergebnisse und Auswertung
- Einfluss von Füllstoffen und der Füllstoffkonzentration auf die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien
- Einfluss auf die Schüttdichte
- Einfluss auf das Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten
- Thermogravimetrische Analyse
- Einfluss auf das Reflexionsverhalten
- Einfluss von Füllstoffen und der Einfluss von Prozessparametern auf die Bauteileigenschaften
- Einfluss auf die Kontur- und Schichtabmessungen
- Einfluss auf die geometrischen Bauteileigenschaften
- Einfluss auf die Morphologie
- Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften
- Einfluss auf die Oberflächengüte
- Einfluss von Füllstoffen und der Füllstoffkonzentration auf die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, das Werkstoffspektrum für das selektive Laserstrahlschmelzen zu erweitern und werkstoffangepasste Verarbeitungsstrategien zu entwickeln. Der Fokus liegt auf der Untersuchung des Einflusses verschiedener Füllstoffe (Glaskugeln und Aluminiumflakes) auf die Eigenschaften von Polyamid 12 (PA12).
- Charakterisierung der Strahl-Stoff-Wechselwirkung
- Einfluss von Füllstoffen auf die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien
- Einfluss von Prozessparametern auf die Bauteileigenschaften
- Analyse der Morphologie der laserstrahlgeschmolzenen Bauteile
- Bewertung der mechanischen und oberflächlichen Eigenschaften der erzeugten Bauteile
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Die Einleitung beschreibt die Herausforderungen kürzer werdender Entwicklungszeiten und steigender Variantenvielfalt in der Produktion, insbesondere im Automobilbau. Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserstrahlschmelzen (SLS), werden als Lösungsansatz präsentiert. Die begrenzte Auswahl an SLS-fähigen Polymeren wird als Problem genannt, und die Arbeit fokussiert auf die Verbesserung der Eigenschaften von Polyamid 12 durch Zugabe von Füllstoffen wie Glas und Aluminium.
Grundlagen: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen der additiven Fertigung, Rapid Manufacturing und des SLS-Verfahrens. Es beschreibt detailliert das Pulverwerkstoffverhalten, insbesondere Packungsdichte, Absorptionsverhalten und Wärmeleitfähigkeit. Der Einfluss von Füllstoffen und Additiven auf die Eigenschaften von Polymeren wird eingehend diskutiert, wobei die Literatur zu aluminium- und glasgefüllten Polyamiden im SLS-Prozess zusammengefasst wird. Schließlich erfolgt eine Anforderungsanalyse an Pulver- und Bauteileigenschaften.
Werkstoffe: Das Kapitel beschreibt die verwendeten Werkstoffe: Polyamid 12 (PA2200), Glaskugeln (Spheriglass 3000 und 5000), und Aluminiumflakes. Es werden die technischen Daten der Materialien aufgeführt.
Versuchsdurchführung: Dieses Kapitel detailliert die Versuchsplanung und -durchführung. Es beschreibt die Materialvorbehandlung (Mischen von Polymer und Füllstoffen), die Verarbeitungsversuche (SLS auf verschiedenen Anlagen), und die Methoden zur Charakterisierung von Pulvern (Schüttdichte, DRIFTS, DSC, TGA) und Bauteilen (Mikroskopie, REM, mechanische Tests, LSM).
Schlüsselwörter
Selektives Laserstrahlschmelzen, Additive Fertigung, Rapid Manufacturing, Polyamid 12, Füllstoffe, Glaskugeln, Aluminiumflakes, Pulverwerkstoffverhalten, Absorptionsverhalten, Wärmeleitfähigkeit, Schüttdichte, Porosität, Mechanische Eigenschaften, Oberflächengüte, Morphologie, Prozessparameter, Energiedichte.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zu: Werkstoffcharakterisierung und Prozessoptimierung beim Selektiven Laserstrahlschmelzen von gefüllten Polyamiden
Was ist das Thema der vorliegenden Arbeit?
Die Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener Füllstoffe (Glaskugeln und Aluminiumflakes) auf die Eigenschaften von Polyamid 12 (PA12) beim selektiven Laserstrahlschmelzen (SLS). Ziel ist die Erweiterung des Werkstoffspektrums für SLS und die Entwicklung werkstoffangepasster Verarbeitungsstrategien.
Welche Füllstoffe wurden verwendet?
Es wurden Glaskugeln (Spheriglass 3000 und 5000) und Aluminiumflakes als Füllstoffe in Polyamid 12 eingesetzt.
Welche Methoden wurden zur Charakterisierung der Pulver und Bauteile verwendet?
Für die Pulvercharakterisierung kamen Schüttdichte- und Porositätsmessungen, diffuse Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie (DRIFTS), Differential Scanning Calorimetry (DSC) und Thermogravimetrische Analyse (TGA) zum Einsatz. Die Bauteile wurden mittels Auf-, Durchlicht- und Stereomikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Messungen der Bauteilmaßhaltigkeit, mechanischer Tests und Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM) charakterisiert.
Welche Eigenschaften der Ausgangsmaterialien und Bauteile wurden untersucht?
Es wurden die Schüttdichte, das Aufschmelz- und Kristallisationsverhalten, das Reflexionsverhalten der Pulver sowie die Kontur- und Schichtabmessungen, die geometrischen Bauteileigenschaften, die Morphologie, die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächengüte der Bauteile untersucht.
Welche Prozessparameter wurden betrachtet?
Die Arbeit beschreibt den Einfluss von Prozessparametern auf die Bauteileigenschaften, wobei die genauen Parameter in der Arbeit detailliert beschrieben werden. Die Energiedichte ist explizit als relevanter Parameter genannt.
Welche Kapitel umfasst die Arbeit?
Die Arbeit gliedert sich in eine Einleitung, Grundlagen der additiven Fertigung und des SLS-Verfahrens, eine Beschreibung der verwendeten Werkstoffe, die Versuchsdurchführung, die Ergebnisse und Auswertung sowie eine Zusammenfassung. Die Grundlagen beinhalten auch die Beschreibung des Pulverwerkstoffverhaltens, Füllstoffe und Additive sowie eine Anforderungsanalyse. Die Ergebnisse und Auswertung betrachten den Einfluss der Füllstoffe und der Füllstoffkonzentration auf die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien und den Einfluss von Füllstoffen und Prozessparametern auf die Bauteileigenschaften.
Welche Ziele wurden verfolgt?
Die Arbeit zielt darauf ab, das Werkstoffspektrum für das selektive Laserstrahlschmelzen zu erweitern und werkstoffangepasste Verarbeitungsstrategien zu entwickeln. Ein Schwerpunkt liegt auf der Charakterisierung der Strahl-Stoff-Wechselwirkung und der Analyse des Einflusses von Füllstoffen und Prozessparametern auf die Eigenschaften der erzeugten Bauteile.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Selektives Laserstrahlschmelzen, Additive Fertigung, Rapid Manufacturing, Polyamid 12, Füllstoffe, Glaskugeln, Aluminiumflakes, Pulverwerkstoffverhalten, Absorptionsverhalten, Wärmeleitfähigkeit, Schüttdichte, Porosität, Mechanische Eigenschaften, Oberflächengüte, Morphologie, Prozessparameter, Energiedichte.
- Arbeit zitieren
- Johannes Köck (Autor:in), 2015, Selektives Laserstrahlschmelzen von gefüllten Polymeren, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/377569
