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
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
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, das Spektrum der für das selektive Laserstrahlschmelzen (SLS) nutzbaren gefüllten Polymerwerkstoffe zu erweitern, um spezifische physikalische und mechanische Eigenschaften in additiv gefertigten Bauteilen zu ermöglichen. Der Fokus liegt dabei auf der Analyse des Einflusses von anorganischen Füllstoffen (Glas und Aluminium) auf das Ausgangsmaterial sowie auf der Bestimmung optimaler Prozessparameter unter Berücksichtigung der Strahl-Stoff-Wechselwirkung.
- Charakterisierung des Pulverwerkstoffverhaltens
- Einfluss von Füllstoffkonzentrationen auf Pulvereigenschaften
- Analyse der Strahl-Stoff-Wechselwirkung
- Bestimmung optimaler Verarbeitungsparameter
- Evaluation mechanischer und geometrischer Bauteileigenschaften
Auszug aus dem Buch
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]
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Arbeit motiviert die Untersuchung neuer gefüllter Polymerwerkstoffe für das selektive Laserstrahlschmelzen, um die limitierte Materialauswahl zu erweitern und spezifische Anforderungen an Bauteileigenschaften zu erfüllen.
2. Grundlagen: Die theoretische Basis umfasst additive Fertigungsverfahren, das Pulverwerkstoffverhalten, die Wirkung von Füllstoffen und Additiven sowie eine Anforderungsanalyse für Bauteile.
3. WERKSTOFFE: Hier werden die verwendeten Materialien, bestehend aus Polyamid 12 als Grundpolymer sowie Glas- und Aluminiumfüllstoffen, spezifiziert.
4. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG: Dieses Kapitel erläutert den Versuchsplan, die Materialvorbehandlung durch Mischen, die Laserstrategie sowie die angewandten Methoden zur Pulver- und Bauteilcharakterisierung.
5. ERGEBNISSE UND AUSWERTUNG: Die Ergebnisse zeigen den Einfluss von Füllstoffen und Prozessparametern auf Pulvereigenschaften, Bauteilgeometrie, Morphologie sowie mechanische Kennwerte und Oberflächengüte.
6. ZUSAMMENFASSUNG: Die zentralen Erkenntnisse zu den Einflüssen auf die Pulver- und Bauteileigenschaften werden zusammengefasst und Empfehlungen für Verarbeitungsparameter gegeben.
Schlüsselwörter
Selektives Laserstrahlschmelzen, Additive Fertigung, Polyamid 12, Füllstoffe, Glaskugeln, Aluminiumflakes, Schüttdichte, Porosität, Mechanische Eigenschaften, Prozessparameter, Energiedichte, Strahl-Stoff-Wechselwirkung, Pulvercharakterisierung, Bauteilcharakterisierung, Morphologie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie verschiedene anorganische Füllstoffe, konkret Glaskugeln und Aluminiumflakes, die Eigenschaften von Polyamid-Pulvern beeinflussen, wenn sie mittels selektivem Laserstrahlschmelzen verarbeitet werden.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Arbeit befasst sich mit den Themengebieten der additiven Fertigung von Polymer-Composites, der Materialwissenschaft der Pulverwerkstoffe, der thermischen Analyse sowie der mechanischen und geometrischen Charakterisierung von laserstrahlgeschmolzenen Bauteilen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist die Erweiterung der nutzbaren Werkstoffauswahl für das selektive Laserstrahlschmelzen und die Ableitung angepasster Verarbeitungsstrategien, um Bauteile mit einem gezielten Eigenschaftsprofil zu fertigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Zur Untersuchung werden Parameterstudien durchgeführt, bei denen die Energiedichte und Füllstoffkonzentration variiert werden. Die Analyse erfolgt durch Pulver-Charakterisierung (Schüttdichte, TGA, DSC, DRIFTS) sowie durch mechanische Zugversuche und mikroskopische Untersuchungen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Versuchsplanung, die Charakterisierung der Pulverwerkstoffe hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften sowie die systematische Auswertung der Bauteilqualität in Abhängigkeit von Füllstoff und Prozessführung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist zentral durch Begriffe wie Selektives Laserstrahlschmelzen, Polyamid 12, Füllstoffmodifikation, Energiedichte und mechanische Bauteileigenschaften gekennzeichnet.
Wie beeinflussen die gewählten Füllstoffe das Verarbeitungsverhalten?
Insbesondere bei Aluminiumflakes zeigt sich ein hoher Reflexionsgrad, der eine höhere Energiedichte beim Laserschmelzen erforderlich macht, während bei Glasfüllstoffen vor allem die Steifigkeit zunimmt, jedoch auch Porositätseffekte bei hohen Füllgraden auftreten.
Welche Bedeutung kommt der Energiedichte in dieser Untersuchung zu?
Die Energiedichte ist der maßgebliche Prozessparameter, der die Geometrie (Schichtdicke/Konturbreite) und die Dichte der Bauteile bestimmt; eine falsche Wahl führt zu Porosität oder unerwünschten Abweichungen der Bauteilmaße.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor bezüglich der Eignung von Glasfüllstoffen?
Der Autor stellt die Zweckmäßigkeit von Spheriglass 5000 als Füllstoff im Vergleich zu Spheriglass 3000 in Frage, da letzteres eine bessere Verarbeitbarkeit und mechanische Kennwerte aufweist.
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- Johannes Köck (Autor), 2015, Selektives Laserstrahlschmelzen von gefüllten Polymeren, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/377569
