Die Umsetzung von Serienanwendungen im Lasersintern wird gegenwärtig noch durch eine unzureichende Materialvielfalt gehemmt. Viele wichtige Konstruktionswerkstoffe aus der traditionellen Kunststoffverarbeitung waren für das Verfahren bisher nur eingeschränkt verfügbar. PA 66 und PBT erweitern das Einsatzgebiet des Lasersinterns erheblich und zeigen in vielen Fällen bessere Eigenschaften als klassische PA-11- und PA-12-Materialien.

Als temperaturbeständiger und flammwidriger Werkstoff mit hohen mechanischen Kennwerten eröffnet PA 66 neue Applikationsmöglichkeiten für das Lasersintern, wie beispielsweise die Anwendung als Sensorhalterung 

Lasersintern mit PA 66 und PBT

Polybutylenterephthalat

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Polyamide

Technische Kunststoffe

Selektives Lasersintern von Kunststoff, Metall, Keramik

Verfahren für die additive Fertigung

Pulverbettverfahren

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Additive Fertigung

Vom Spritzgießen in den 3D-Druck

Für FFF- und FDM-Drucker hat Evonik ein PEEK vorgestellt. Das Material wurde speziell für medizintechnische Anwendungen wie Prothesen, OP-Instrumente und Hörgeräte entwickelt.

Das 3D-druckbare Filament soll beispielsweise für Implantate oder Hörgeräte zum Einsatz kommen

Polyetherketon

Hochleistungskunststoffe

Werkstoffe für additive Verfahren

Andere Werkstoffe

Biokompatibles und einfach verarbeitbares PEEK

Polymaker bietet künftig das 3D-Druck-Filament Polymaker PC-r aus recyceltem Polycarbonat (PC) an. Das PC für die Filamente stammt von dem Werkstoffhersteller Covestro und besteht aus einer Kombination von wiederaufbereiteten Kunststoffabfällen und Neuware.

Durch die Kombination von Rezyklaten und Neuware sinkt der CO<sub>2</sub> -Fußabdruck des PC und es lässt sich trotzdem zu Filamenten extrudieren

Filamente für additive Verfahren

Polycarbonat

Kunststoff-Rezyklat

Aus Wasserflaschen  werden Filamente

Die Produktion wird immer flexibler, diversifizierter und dezentralisierter. Entscheidend tragen dazu zweifellos die additiven Fertigungsverfahren bei, die auch den Wandel vom produktionsbasierten Design zur designgetriebenen Produktion einleiten. Der 3D-Druck-Dienstleister FIT entwirft in diesem Beitrag ein Best-Practice-Panorama heutiger Technologien.

An über 2000 genau passenden Fügestellen wurde die bis dahin größte jemals 3D-gedruckte Gitterstruktur zu einem 8 m hohen Retabel (Altaraufsatz) zusammengefügt

Was additive Kunststoff-Fertigung zu leisten vermag. Die Sicht eines Full-Service-Providers

Anlagen für die Additive Fertigung

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

Anlagen für die Stereolithografie, Kunststoff

Anlagen Selektives Lasersintern, Kunststoff

3D-Druck-Anlage, pulverbettbasiert, Metall

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

SLA (Stereolithografie) Kunststoff

Flüssigmaterialverfahren

3D-Druck-Anlage, strahlbasiert, Metall

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Fused Deposition Modeling Kunststoff, Glas, Karbon, Metall

Freiraumverfahren

Feiner, größer, schneller

Rehau hat jetzt ein additives Fertigungsverfahren in der Entwicklung, um große Kunststoff-Schächte in Losgröße 1 praktisch wie in einer Serienproduktion herzustellen. Eine bemerkenswerte Entwicklung, die Bauzeiten entscheidend verkürzt und Arbeitsabläufe effizienter macht.

Kevin Winter (links) und Jonas Wilfert von Rehau in ihrer 3D-Druck-Produktionsumgebung. Die Bauteile können maximal einen Durchmesser von 1,2 m und eine Höhe von 85 cm haben

16:9

Additives Fertigungsverfahren verkürzt Prozesskette im Tiefbau

Hoch- und Tiefbau

Baubetrieb / Bauwirtschaft

Binnen einer Woche zum maßgeschneiderten Großbauteil

Klassische Beschichtungstechniken wie das Sprühlackieren stoßen in der Fertigung funktional hochintegrierter und edel dekorierter Kunststoffteile an ihre Grenzen. Im Gegensatz dazu ist die Prozesskette des Direct-Coating-Verfahrens inzwischen optimiert worden.

Mit dem DC-Verfahren lassen sich edel aussehende Bauteile mit integrierten Sensoren und Lichtelementen einfacher und schneller herstellen

Direct Coating mit Polyurethan-Beschichtungen eröffnet Design- und Funktionsoptionen

Automotive

Elektronik

Oberflächentechnik

Polyurethan

Hohe Produktivität für smarte Bauteile

Bei elektrischen Bauteilen können schnell hohe Temperaturen entstehen. Für diese sind übliche selbstverlöschende Compounds oft nicht die beste Lösung. Stattdessen sollten speziell für diesen Anwendungsfall entwickelte Materialtypen verwendet werden.

Das PPA Laramid eignet sich für die Herstellung von Komponenten für elektrische Bauteile wie Kontakthalter, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind

PPA-Compounds für elektrische Bauteile

Einsatzbereit trotz hoher Temperaturen

Verzicht ist der Trend rund um Kunststoffe, der aktuell die öffentliche Wahrnehmung bestimmt. Viele Konsumenten wünschen sich umweltfreundlichere Produkte, was vielfach gleichgesetzt wird mit weniger Plastik. Dabei gilt: Kunststoff ist nach wie vor ein wichtiger Werkstoff, um Antworten auf steigende Bevölkerungszahlen, höheren Energiebedarf sowie zunehmende Urbanisierung und Mobilität zu finden. Häufig ist er auch die klimaschonendste Variante. Ungeachtet aller Kritik hat die Weltkunststoffproduktion in den zurückliegenden Jahren weiter zugelegt. Sie wuchs 2018 um 3 % auf nun fast 360 Mio. t. Europa hat daran einen Marktanteil von rund 17 % und ist damit drittgrößter Produktionsstandort. Dominierende Kunststoffnation ist bereits seit einigen Jahren China mit einem weltweiten Anteil von aktuell etwa 30 %. Darin besteht auch ein Teil des Problems, mit dem Werkstoff und Industrie zu kämpfen haben. Die boomenden Kunststoff- und Verpackungsbranchen, gerade in Südostasien, haben zu einem immer größer werdenden Abfallproblem geführt.

Dr. Michael Zobel, Vorsitzender von PlasticsEurope Deutschland e. V. und Managing Director High Performance Materials, Lanxess Deutschland GmbH, Dormagen

20:7

Gastkommentar von Dr. Michael Zobel

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Verpackungsmaterial

Logistik

Kunststoffe

Photonik

Optik

Recycling

Umweltmanagement

Leichtbau

Kunststoffhandel

Dienstleistungen

Handel

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Werkstoff

Die Antwort auf viele Fragen

Mit umfangreichen und spezifischen Modifikationen der Eigenschaften können Kunststoffe klassischen Metallbauteilen immer mehr Anwendungen abluchsen.

Bild 1. Grivory G5V weist im Vergleich zum bereits bekannten Grivory GV zwischen 60 °C und 100 °C deutlich bessere mechanische Eigenschaften auf

Quelle: Ems-Chemie, © Tabelle: Kunststoffe

Zwei neue Polyamid-Typen sollen technische Bauteile wirtschaftlicher machen

Fortschrittlicher Metallersatz

Mit viel Know-how, mutigen Investitionen und eigenen Entwicklungsmethoden hat sich der Automobilzulieferer RF Plast ein zweites Standbein geschaffen. Grundlage dafür war ein Kundenprojekt, bei dem Edelstahl durch Kunststoff ersetzt wurde.

Geschäftsführer Dr. Simon Amesöder (links) und Prozesstechniker Klaus Wüst halten Scheibenfilterelemente aus Vollkunststoff mit weißer Dichtung und ohne eine solche vor der 3000-kN-Maschine, auf der das Bauteil gefertigt wird 

RF Plast überzeugte die Edelstahlbauer der Huber SE mit Siebfilterelementen aus Kunststoff

Spritzgießen

Lohnfertigung

Forschung + Entwicklung

Prozesssimulation

Software

Simulation

Abwasserreinigung

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Standardkunststoffe

Spritzgießsimulation

Kunststoffverarbeitung

Wasseraufbereitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Polypropylen-Compound

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Werkstoffliche Wachablösung

Die Optik spielt bei Kunststoffbauteilen eine immer größere Rolle. Entscheidend für ein ansprechendes Aussehen sind glänzende und gleichmäßige Oberflächen. Diese Anforderungen lassen sich bei glasfaserverstärkten Polyamiden bisher meist nur mit einer zusätzlichen Lackierung erreichen. Eine Alternative bietet ein speziell für die Gestaltung von Oberflächen entwickeltes Polyamid.

Bei Sichtbauteilen ist häufig eine gleichmäßige, glänzende Oberfläche gewünscht, die sich mit glasfaserverstärktem Polyamid oft nur schwer erreichen lässt. Grivory G7V von EMS löst dieses Problem

Aliphatisches Hochleistungspolyamid für Oberflächen

Faserverbundwerkstoffe

Glänzende Bauteile ohne Lackierung

Viele Branchen treibt die Suche nach Materialien für gestiegene Leistungsanforderungen und verbesserte Kosteneffizienz an. Gleichzeitig rücken gesellschaftliche und ökologische Trends in den Vordergrund. Dazu zählen die Reduzierung der CO2-Emissionen und die Unterstützung einer alternden Bevölkerung. Wegen seiner Eigenschaften kommt dafür immer öfter der Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon zum Einsatz.

In kryogenen Anwendungen kann PEEK Fluorpolymere ersetzen. Advanced Engineering Valves nutzt ein PEEK von Victrex etwa für Dichtungen in Kugelventilen, die bei der Verflüssigung von Erdgas verwendet werden  © Advanced Engineering Valves

Polyetheretherketon (PEEK): Leistungssteigender Ersatz für Metalle und andere Polymere

Elektronik-Fertigung

Mikroelektronik

Medizintechnik

Medizinprodukte

Effizient auch in rauen Umgebungen

Styrol kann auf verschiedene Arten polymerisiert und mit unterschiedlichen Comonomeren modifiziert werden. Die dadurch entstehenden Kunststoffe unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und lassen sich somit gezielt auf bestimmte Anwendungen zuschneiden. Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften sind sie für viele Branchen geeignet. Besonders in der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Verpackungsbranche sind Styrolkunststoffe gefragt.

Im Exterieur von Fahrzeugen kommen häufig Styrol-Copolymere zum Einsatz. Der chinesische Hersteller Lixiang verwendet etwa ein ASA für den Kühlergrill seiner Elektrofahrzeuge 

Styrol-Copolymerisate: Durch ansprechende Optik und mögliche Transparenz punkten

Polystyrol

Styrol-Copolymerisate

Vielfältig in Form und Anwendung

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Motorradtank aus Durethan BC550Z 900116 DUSXBL: Das unverstärkte und schlagzäh modifizierte PA 6 wird zu zwei Halbschalen spritzgegossen, die durch Heizelementschweißen zum Tank gefügt werden

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Hybridtechnik

Compound

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Laserschweißen

Laserauftragsschweißen

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Zentrales Thema in allen Polyurethan-Anwendungen ist die Umstellung der bisherigen Linearökonomie auf eine Kreislaufwirtschaft und der Einsatz von nachhaltigen Rohstoffen für die Herstellung dieses Kunststoffs. Dafür setzen die Hersteller unter anderem auf biobasierte Rohstoffe, chemisches Recycling und verwenden CO<sub>2</sub> als Synthesebaustein. Digitalisierung, Elektromobilität, autonomes Fahren und die Baubranche treiben außerdem die PUR-Entwicklung voran.

Dämmplatten und Metall-Verbundelemente sind die Haupteinsatzgebiete von PUR in der Baubranche. Da Gebäude für 40 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich sind, können durch effizientere Materialien große Einsparungen erzielt werden, etwa durch verbesserte Dämmstoffe

Polyurethan (PUR): Effizienzsteigerungen im Ressourcenverbrauch und in der Produktion

Bauchemie

Polyurethan-Schaumstoffe (PUR)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Windkraft

Energieerzeugung

Erneuerbare Energie

Nachhaltiges Wachstum

Schnell optimale Prozessparameter für 3D-Druck-Werkstoffe ermitteln

Für additive Fertigungsverfahren bestehen noch Einschränkungen durch das Angebot an druckbaren Materialsystemen. Für die Weiterentwicklung ist u. a. ein umfassenderes Prozessverständnis unabdingbar. Systematische Untersuchungen sowie numerische Simulationen für das Fused Layer Modeling veranschaulichen die Vorgänge beim Aufschmelzen von Filamenten. Die Ergebnisse unterstützen bei der Auslegung des Prozesses und erleichtern die Beurteilung, wie gut sich neue Materialien additiv verarbeiten lassen.

Designfreiheit, serielle Maßanfertigungen, Abfallminimierung und die Möglichkeit der Herstellung komplexer Strukturen sind nur einige Vorteile der additiven Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM) [1]. Wegen ihrer großen Flexibilität und der Möglichkeit zur Produktanpassung wurde sie ursprünglich für die Herstellung von Prototypen eingesetzt. Inzwischen haben sich AM-Verfahren in einigen Bereichen auch für die vollständige Produktion von Bauteilen etabliert. Die Bauteile werden jedoch immer noch hauptsächlich für Anwendungen eingesetzt, die kein hohes Maß an Teilefunktionalität und -leistung erfordern [1, 2].

Die Vorteile additiver Fertigungsverfahren kommen vor allem in der biomedizinischen Industrie, der Medizintechnik und der Luft-, Raumfahrt-, Bau- und Automobilindustrie zum Tragen. In diesen Bereichen steigt die Nachfrage nach möglichst leichten, funktionellen und kostengünstigen Materialsystemen, die zudem die Anforderungen an Nachhaltigkeit und Leistung erfüllen können. Viele Forschungsarbeiten zielen deshalb darauf, AM-Prozesse für neue technische Materialsysteme weiterzuentwickeln, um so deren Nutzung in der industriellen Produktion auszuweiten [2].

Unter den verschiedenen AM-Verfahren ist das Fused Layer Modelling (FLM) eine der am häufigsten verwendeten Techniken. Das Extrusionsverfahren wird auch als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet und ist unter der Abkürzung FDM bekannt, als eingetragene Marke für Fused Deposition Modeling. Bei dieser Technik werden thermoplastische Kunststoffe mithilfe einer beheizten Düse im sogenannten Hotend teilweise aufgeschmolzen, extrudiert und nach einem vorab festgelegten Schichtmodell strangförmig abgelegt [3]. Für eine gute Produktqualität ist u. a. das verwendete Hotend-Design entscheidend (Bild 1).

Anders als bei der konventionellen Schneckenextrusion, bei der eine erhebliche Wärmemenge durch viskose Erwärmung erzeugt wird, hat der Kunststoff im FLM-Verfahren eine kurze Verweilzeit. Die Wärme wird dabei größtenteils durch die vom Heizblock beheizte Wand weitergegeben. Die Strömung der Kunststoffschmelze wird vor allem durch den Druck des festen Filaments erzeugt, welches als Kolben fungiert. Das erzeugt einen kontinuierlichen Prozess, der sich deutlich von konventionellen Extrusionsprozessen unterscheidet. Daher sind spezifische Berechnungsmodelle und systematische experimentelle Untersuchungen nötig, um die Vorgänge in der Düse beim FLM-Verfahren materialabhängig zu verstehen und vorhersagen zu können [4].

Zur Beschreibung des statischen Extrusionsprozesses in der Filamentdüse bildet die sogenannte Boussinesq-Näherung die Grundlage für die numerische Modellierung des nicht-isothermen Verfahrens [5]. Diese enthält neben der bekannten Navier-Stokes-Gleichung einen zusätzlichen Term, der die Temperaturabhängigkeit der Dichte eines Materials berücksichtigt. Zur Simulation der scherratenabhängigen Viskosität η kommt das für die Kunststoffverarbeitung übliche Carreau-Modell [6] zum Einsatz. Um die Temperaturabhängigkeit der Viskosität darzustellen, wird die ebenfalls häufig eingesetzte WLF-Funktion verwendet [7]. Diese Verschiebung ist allerdings nur für den flüssigen, aufgeschmolzenen Zustand gültig. Da angenommen wird, dass in der FLM-Düse ein Phasenübergang von festem Filament zu flüssiger Schmelze vorliegt, muss das berücksichtigt werden. Zur Lösung dieses Problems wird das unaufgeschmolzene Material als Flüssigkeit mit sehr hoher Viskosität, von bis zu 106 Pa · s, definiert. Der Phasenübergang ist mittels einer kontinuierlichen Jump-Funktion darstellbar, die sich wie folgt beschreiben lässt:

Ein geeignetes Hilfsmittel zur Vorhersage der Fließvorgänge ist die Simulation der numerischen Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD). Durch die Wahl der richtigen Randbedingungen ist eine Berechnung von Druck, Temperatur und Fließgeschwindigkeit des Filaments möglich (Bild 2). Zur Modellierung der Wärmeübertragung kann für langsame Einzugsgeschwindigkeiten von einem perfekten Kontakt zwischen beheizter Düsenwand und Filament ausgegangen werden. Bei zunehmend höheren Geschwindigkeiten werden dagegen Wandgleitbedingungen festgelegt, über deren Länge keine Wärmeübertragung zwischen Düsenwand und Filament angenommen wird. Die Wandgleitlängen werden bei der Simulation unter Variation der Prozessparameter basierend auf den experimentellen Daten festgelegt und mit den Beobachtungen aus den Aufschmelzuntersuchungen verglichen.

CFD-Simulationen experimentell  bestätigen

Um die Eignung der CFD-Simulation für die Vorhersage der Fließvorgänge zu bestätigen, wurden am SKZ – Das Kunststoffzentrum und der TU Dortmund entsprechende Untersuchungen durchgeführt. Die Validierung der numerischen Berechnungsergebnisse erfolgte durch experimentelle Daten aus Druckversuchen. Dafür wurde eigens ein Stativaufbau mit einem V6-Hotend und der Düse V6–175-Nozzle-400 des Unternehmens E3D-Online entwickelt. Der Aufbau umfasst außerdem eine Plattformwägezelle, die die Messung der benötigten Vorschubkraft beim Extrusionsprozess in Abhängigkeit der Druckparameter ermöglicht. Diese Erhebung der Kraftmesswerte im FLM-Verfahren wurde schon einige Male angewandt [8, 9]. Bei den Untersuchungen erfolgte erstmals zusätzlich die Aufzeichnung der Extrudattemperatur nach der Düse durch Implemen tierung einer Thermografiekamera (Typ: VarioCAM hr, Hersteller: InfraTec GmbH) in den Aufbau (Bild 3).

Für die Betriebspunkte wurden die Düsentemperatur und Einzugsgeschwindigkeit variiert und deren Einflüsse auf die nötige Vorschubkraft und Extrudattemperatur anhand von zwei Acrylnitril-Butadien-Styrolen (ABS) unterschiedlicher Viskosität untersucht. Bild 4 zeigt die aufgezeichnete Kraft F in Abhängigkeit der Einzugsgeschwindigkeit und Heizblocktemperatur T beim Verdrucken des Materials Novodur H605 (MVR = 25 cm³ / 10 min) von Ineos Styrolution. Dabei zeigte sich eine Erhöhung der benötigten Vorschubkraft mit steigender Einzugsgeschwindigkeit. Eine Erhöhung der Düsen- bzw. Heizblocktemperatur führte dagegen zu niedrigeren Vorschubkräften, hervorgerufen von der niedrigeren Viskosität bei höheren Temperaturen.

Ab einer bestimmten Einzugsgeschwindigkeit lässt sich eine Zunahme der Steigung der Messkurven beobachten. Wird dieser Übergang durch eine zweiseitige lineare Regression ermittelt [8], kann der Schnittpunkt beider Regressionsgeraden als Maß für den Beginn des instabilen Extrusionsbereichs angenommen werden (Bild 4). Ab diesem Punkt fluktuierten die Kraftmessungen stark, was vermutlich auf unzureichend aufgeschmolzenes Material zurückzuführen ist. Das zweite untersuchte Material Novodur P2H-AT (MVR = 37 cm³ / 10 min) von Ineos Styrolution wies aufgrund der niedrigeren Viskosität um bis zu 17 % höhere Einzugsgeschwindigkeiten am Übergang zum instabilen Extrusionsbereich auf, bei zwischen 15 - 20 % verringertem Kraftverbrauch gegenüber Novodur H605.

Für ein besseres Verständnis dieser Vorgänge in der Druckerdüse muss eine Untersuchung des Aufschmelzverhaltens erfolgen. Das beinhaltet vor allem die Ermittlung des Anteils an festem Filament sowie dessen Position in der Düse in Abhängigkeit der Druckparameter. Aber auch der Rückstau von Schmelze in Richtung des Düseneingangs durch die beschriebene Stempelwirkung ist von Bedeutung für die Beschreibung der Wärmevorgänge.

Dementsprechend wurden Dead-Stop-Versuche [10, 11] mittels zweifarbiger Filamente an ausgewählten Betriebspunkten durchgeführt. Bei diesen wurden zunächst die noch nicht aufgeschmolzenen Anteile der Stränge sowie die daran haftende zurückgestaute Schmelze betrachtet (Bild 5). Die so bestimmten Positionen des Feststoffanteils in der Düse sowie die Rückstaulängen der Schmelze können später genutzt werden, um die entwickelten Modelle zu prüfen. Bei der Erstellung der CAD-Modelle wurde auf die frei zugänglichen technischen Zeichnungen von E3D-Online zurückgegriffen.

Die Aufzeichnung der Extrudattemperatur zeigt eine Abnahme der Temperatur mit steigenden Einzugsgeschwindigkeiten (Bild 4). Das lässt vermuten, dass der Wärmeübergang zwischen Filament und Düsenwand unzureichend für die Schmelze ist, um die eingestellte Heizblocktemperatur zu erreichen.

Der Unterschied zwischen der Düsen- und Extrudattemperatur betrug dabei bis zu 90 °C. Die Messungen zeigten zu Beginn jeder Kurve eine Zunahme der Temperatur mit der Einzugsgeschwindigkeit, was vermutlich auf die Abkühlung der Stränge bis zum Erreichen der Messlinie der Thermokamera bei langsamen Extrusionsgeschwindigkeiten zurückzuführen ist. Das wird auch durch die beobachtete Zunahme dieses Effekts bei höheren Heizblocktemperaturen bestätigt. In dem Geschwindigkeitsbereich der instabilen Extrusion erreicht zunehmend festes Filament die Verjüngung der Druckerdüse, was wie oben beschrieben zu erhöhten Normalkräften im Hotend und zu erhöhter Scherung führt. Die dabei entstehende Wärmedissipation könnte dabei der Grund für die erhöhten Extrudattemperaturen sein, die in diesem Bereich beobachtet wurden.

Die in den bisherigen Arbeiten wichtigsten Ergebnisse der numerischen Berechnungsmodelle werden im Folgenden vorgestellt. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Darstellung der modellierten Vorschubkraft und der Viskositätsverteilung in der Düsengeometrie im Vergleich zu den oben beschriebenen experimentellen Daten. Durch die bisher getroffenen Annahmen kann der Kurvenverlauf der benötigten Kraft F in Abhängigkeit der Einzugsgeschwindigkeit v gut dargestellt werden (Bild 5). Die Abweichungen lagen größtenteils innerhalb von ± 15 %. Das Modell erfasst die Änderung der Kurvensteigungen, die den Übergang von der stabilen zur instabilen Extrusion markiert. Damit können die benötigten Kräfte und somit die realisierbaren Extrusionsgeschwindigkeiten abgeschätzt werden.

Für die Viskosität des festen Filaments wurde eine Viskosität von 106 Pa · s angenommen. Die Simulationen ergeben ebenfalls ein zunehmendes Wandern von festem Filament in Richtung Düsenausgang bei steigenden Einzugsgeschwindigkeiten. Das steht qualitativ in Übereinstimmung mit den Beobachtungen aus den zuvor durchgeführten Dead-Stop-Versuchen.

Die passende Kombination von  Prozess und Material

Die durchgeführten systematischen Untersuchungen und die numerischen Modellierungen des FLM-Druckprozesses tragen dazu bei, die bisherigen Erkenntnisse zu den Prozessvorgängen des additiven Fertigungsverfahrens zu vertiefen. Mit der dargestellten CFD-Simulation zur Beschreibung der Fließvorgänge von ABS in einer FLM-Düse können durch die Annahme von temperatur- und geschwindigkeitsabhängigen Wandgleitbedingungen die Vorschubkräfte beim Druckprozess gut reproduziert werden. Trotz der vereinfachten Betrachtung einer rein strukturviskosen Strömung, ohne dabei viskoelastische Effekte zur berücksichtigen, ermöglichen die Simulationen die materialabhängige Abschätzung eines stabilen Extrusionsbereichs für ABS. Auch im Vergleich zu den Aufschmelzuntersuchungen zeigen die Berechnungen entsprechende Tendenzen, die den experimentellen Daten entsprechen. In weiterführenden Arbeiten müssen die Modellierung an die Ergebnisse der Aufschmelzversuche angepasst und basierend darauf geeignete Parameter für die Simulation identifiziert werden.

Ausgehend davon ist es nun möglich, an numerischen Studien zu untersuchen, welche Kombinationen von Prozessparametern und Materialeigenschaften gewählt werden sollten, um den Druckprozess optimal auszulegen. Gemeint ist damit die Verschiebung der Position des unaufgeschmolzenen Filamentkegels in Richtung Düseneingang, um dadurch die Normalkräfte gering und das stabile Prozessfenster für den Druck groß zu halten.

Da bei den bisherigen Modellierungen lediglich die Düsengeometrie selbst betrachtet wurde, ist die Erweiterung der Simulationsumgebung der nächste anstehende Schritt. Auf diese Weise lässt sich sowohl das Aufschmelzen bis zur Heatbreak-Sektion als auch die Extrudattemperatur am Düsenauslass darstellen. Zudem steht die Betrachtung teilkristalliner Materialien im weitergehenden Fokus. Diese unterscheiden sich beim Phasenübergang hinsichtlich ihres Erweichungs- und Aufschmelzverhaltens und ihrer Wärmekapazität gänzlich von dem bisher untersuchten amorphen ABS.

[1] Daminabo, S. C.; Goel, S.; Grammatikos, S. A.; Nezhad, H. Y.; Thakur, V. K.: Fused deposition modeling-based additive manufacturing (3D printing): techniques for polymer material systems Materials Today Chemistry (16), S. 100248f.

[2] Jaisingh Sheoran, A.; Kumar, H.: Fused Deposition modeling process parameters optimization and effect on mechanical properties and part quality: Review and reflection on present research Materials Today: Proceedings (21), S. 1659–1672

[3] Kumke, M.: Methodisches Konstruieren von additiv gefertigten Bauteilen. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2018

[4] Phan, D. D.; Swain, Z. R.; Mackay, M. E.: Rheological and heat transfer effects in fused filament fabrication Journal of Rheology (62) H. 5, S. 1097–1107

[5] Damanik, H.; Hron, J.; Ouazzi, A.; Turek, S.: A monolithic FEM-multigrid solver for non-isothermal incompressible flow on general meshes Journal of Computational Physics (228) H. 10, S. 3869–3881

[6] Bird, R. B.; Armstrong, R. C.; Hassager, O. Dynamics of polymeric liquids: Fluid mechanics / R. Byron Bird … ; Vol. 1. 2. ed. Wiley, New York 1987

[7] Williams, M. L.; Landel, R. F.; Ferry, J. D.: The Temperature Dependence of Relaxation Mechanisms in Amorphous Polymers and Other Glass-forming Liquids Journal of the American Chemical Society (77) H. 14, S. 3701–3707

[8] Nienhaus, V.; Smith, K.; Spiehl, D.; Dörsam, E.: Investigations on nozzle geometry in fused filament fabrication Additive Manufacturing (28), S. 711–718

[9] Serdeczny, M. P.; Comminal, R.; Mollah, M. T.; Pedersen, D. B.; Spangenberg, J.: Numerical modeling of the polymer flow through the hot-end in filament-based material extrusion additive manufacturing Additive Manufacturing (36), S. 101454f.

[10] Rudloff J.; Wilhelm M.; Lang M.; Heidemeyer P.; Bastian, M.: Analysis and Simulation of the Melting Behavior of Polymer Materials in Co-Kneaders. Ilmenau Scientific Colloquium, 2017

[11] Lang, M.; Kettemann J.: Schlussbericht zu IGF-Vorhaben Nr. 18650 N, Simulation: Vorhersage und Optimierung des Ko-Knet-Prozesses. 2019

SKZ - KFE gGmbH  

https://www.skz.de

Ausgabenartikel KU9-21

Bild 1. Schematischer Aufbau eines Hotends für das FLM-Drucken: Das Hotend-Design beeinflusst maßgeblich die Qualität des Druckerzeugnisses 

Bild 2. Schematische Darstellung der verwendeten Randbedingungen für die Simulation: Werden diese passend ausgewählt, lassen sich der Druck, die Temperatur und die Fließgeschwindigkeit des Filaments bestimmen 

Blick in den Bauraum eines FLM-Druckers: Mithilfe von Strömungssimulationen soll der 3D-Druckprozess besser verstanden und vorhergesagt werden 