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Werkstoffverhalten und Prozessanalyse beim Laser-Sintern von Thermoplasten

Additive Fertigungsverfahren wie beispielsweise das Selektive Laser-Sintern schaffen die Möglichkeit, geometrisch komplexe Strukturen und Produkte mit hohem Individualisierungsgrad flexibel zu fertigen. Speziell in der Medizintechnik aber auch dem Automobil- und Luftfahrtsektor können diese technologischen Vorteile zu einer deutlichen Erweiterung des aktuellen Standes der Technik führen. Bislang kann dieses Potenzial für die industrielle Fertigung nicht vollständig ausgeschöpft werden, da das Verfahren hinsichtlich der Bauteilreproduzierbarkeit und der nutzbaren Werkstoffe limitiert ist.

Die Herstellung von Bauteilen durch schichtweises Aufschmelzen von Kunststoffpulvern vereint komplexe Fragestellungen zu Pulverauftrag, Energieeintrag und der Werkstoffkonsolidierung. Auch aufgrund des eingeschränkten Werkstoffspektrums bestehen für diese Teilprozesse aktuell stark idealisierte Modellvorstellungen. Allgemein lässt sich feststellen, dass den orts- und zeitaufgelösten Prozesszuständen, respektive Phasenübergänge, in aktuellen Arbeiten zu wenig Bedeutung zukommt, was auch darin begründet liegt, dass diese in bestehenden Anlagen kaum erfasst werden können. Eine Korrelation der Prozessführung mit der Strukturausbildung im Bauteil und mit den zu erwartenden Zieleigenschaften dieser Bauteile ist daher nur eingeschränkt möglich.

Diese Arbeit befasst sich daher mit der Erweiterung des Werkstoffspektrums um alternativ nutzbare Thermoplaste und der Analyse ihres Verarbeitungsverhaltens, um ein grundlegendes Prozessverständnis ableiten zu können. Das Materialspektrum umfasste das aktuell verfügbare Polyamid12 (PA12) Lasersinterpulver eingesetzt, aber auch Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und Polyoxymethylen (POM) entsprechend aufbereitet, um es zu Bauteilen verarbeiten zu können und ihre Tauglichkeit für den Lasersinterprozess analysieren zu können. Neben der Betrachtung pulverrheologischer Eigenschaften verschiedener Schüttgüter wird ein besonderer Fokus auf die Betrachtung der zeitabhängigen quasiisothermen Prozesszustände bei der Bauteilgenerierung gelegt. Dies schafft Grundlagen für die Modellierung und Simulation der (thermischen) Verhältnisse in einer Laser-Sinteranlage, womit es langfristig möglich wird, die resultierenden geometrischen und mechanischen Bauteileigenschaften vorhersagen zu können. Die Erkenntnisse werden genutzt, um einen Vorschlag für ein neues zeitabhängiges quasi isothermes Laser-Sintermodell abzuleiten und das Potential neuer Werkstoffe (z.B. Polylactide) sowie Aufbereitungsmethoden (z.B. Tempern und Faserspinnen) aufzuzeigen.

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