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Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen als Grundvoraussetzung für eine robuste Prozessführung beim Laser-Sintern von Thermoplasten

Additive Fertigungsverfahren gewinnen eine immer größere Bedeutung als Fertigungsverfahren für kleine bis mittlere Serien. Neben der wirtschaftlichen Anwendung für Kleinserien bietet z.B. Laser-Sintern eine weit über die Möglichkeiten konventioneller Verfahren hinausgehende Designfreiheit, welche neue innovative Lösungen ermöglicht.

Trotz der vielfältigen Potentiale bestehen heutzutage jedoch noch zahlreiche ungelöste Problemstellungen, welche einem uneingeschränkten Einsatz des Laser-Sinterns als Produktionsverfahren entgegenstehen. Insbesondere kann bis heute keine ausreichende Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften gewährleistet werden. Ursache dafür ist eine Vielzahl unzureichend verstandener Effekte, welche während des Herstellungsprozesses auftreten. Hierzu zählt insbesondere der für das Laser-Sintern maßgebliche Prozessschritt: Das Aufschmelzen des Pulvers durch den Laserenergieeintrag. Die bei der Laser-Pulver-Wechselwirkung entstehenden Temperatur-Zeit-Profile bestimmen maßgeblich die entstehenden Bauteile, sind aber nach heutigem Stand kaum erforscht.

Die vorliegende Arbeit greift diese Problemstellungen auf, um durch die Erlangung eines tiefgehenden Prozessverständnisses Lösungen bzw. neue Lösungsansätze für diese Themenfelder zu schaffen. Ausgehend von einem systematischen Ansatz werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozesseinflussgrößen sowie Störgrößen einerseits und maßgeblichen Bauteileigenschaften andererseits ermittelt. Auf Basis der aufgestellten Zusammenhänge und Korrelationsmodelle werden eine Optimierung der Prozessführung sowie die Identifizierung robuster Parameterbereiche ermöglicht. In diesem Zusammenhang findet erstmals eine detaillierte Analyse von Einflüssen unterschiedlicher Störgrößen statt. Gleichzeitig werden erstmals grundlegend die Einflüsse auf die Form- und Maßhaltigkeit lasergesinterter Bauteile untersucht.

In einem zweiten Schritt wird die Laser-Pulver-Wechselwirkung mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Thermografie umfassend charakterisiert. So werden erstmals mit einem abgesicherten Versuchsaufbau die entscheidenden Temperaturverläufe beim Aufschmelzen des Pulvers in Abhängigkeit der Energieeinbringung gemessen. Auf dieser Basis werden grundlegende Korrelationen zwischen Prozessparametern und gemessenen Schmelzetemperaturen sowie daraus abgeleitet Zusammenhänge zwischen Schmelzetemperaturen und Bauteileigenschaften aufgestellt. Hierbei kann ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Temperaturverlauf und der Bauteilqualität nachgewiesen werden. Diese grundlegenden Erkenntnisse werden zu einer neuen Prozesstheorie der „Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen beim Laser-Sintern“ zusammengefasst. Erst deren Erfüllung bildet die Grundvoraussetzung zur Einstellung einer robusten und reproduzierbaren Prozessführung. Des Weiteren zeigen die ermittelten Ergebnisse, dass Anlagenweiterentwicklungen dringend erforderlich sind, um die Reproduzierbarkeit auf ein für eine Serienfertigung geeignetes Maß zu steigern.

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 Andreas Wegner

Andreas Wegner
Lehrstuhl für Fertigungstechnik
Universität Duisburg-Essen

Informationen

Freie Schlagwörter: Laser-Sintern, Polyamid 12, Kunststoffe, Prozesszusammenhänge, Parameteroptimierung, robuster Prozess, Thermografie, Schmelzetemperaturen, Einfluss von Störgrößen, Anlagenvergleich
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Universität Duisburg-Essen
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Gerd Witt (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer
Erscheinungsjahr: 2015
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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