Entwicklung eines lokalen Heizkonzeptes für das in-situ Fügen FFF gedruckter Strukturen auf thermoplastische Laminate (Studienarbeit)

Kurzfassung

Hochleistungsthermoplaste wie kohlefaserverstärktes PEEK (Polyetheretherketon) verbinden hohe Festigkeitswerte mit einer geringen Dichte und der Fähigkeit, durch 3D-Druck zu leichtbau- und festigkeitsoptimierten Bauteilen gefertigt zu werden. Dadurch sind sie vor allem für die Luft- und Raumfahrtbranche interessant. Nachteilig sind allerdings die hohen erforderlichen Prozesstemperaturen beim 3D-Drucken. Werden diese Temperaturen nicht eingehalten, verbinden sich die einzelnen Druckschichten nur sehr schlecht, was die Bauteilfestigkeit in eine Raumrichtung erheblich senkt. Vor allem die benötigte Umgebungstemperatur von mindestens 200 ◦C ist in einem dafür spezialisierten 3D-Drucker zwar erreichbar, bildet aber zum Beispiel bei großvolumigen Anwendungen ein Hindernis. Um dieses zu umgehen, wird in dieser Arbeit ein Heizkonzept, welches die benötige Umgebungstemperatur lokal begrenzt direkt um die 3D-Druckdüse erzeugt, entwickelt, getestet und an einem industriellen 3D-Druck-Roboter umgesetzt. So sind auch großvolumige Anwendungen beispielsweise in Fertigungshallen bei Raumtemperatur möglich. Für diese Arbeit wird das Heizkonzept in einen gängigen 3D-Drucker, der nicht über einen beheizten Bauraum verfügt, integriert. Die Wahl fällt dabei auf ein Heißgassystem, welches erwärmte Luft direkt um die Druckerdüse nach unten ausströmt. Verwendet wird eine Heißluftlötstation und speziell für diese Anwendung konstruierte und gefräste Stahl-Düsenbauteile, die in ein ebenfalls neu konstruiertes und 3D-gedrucktes Carriage in den Drucker eingebaut werden. Bei ersten Versuchsläufen zeigt sich, dass das Heizsystem, in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit der Düse, in der Lage ist, die Schwelle von 143 °C und damit die Glastemperatur von PEEK zu überschreiten. Dies ist essenziell, da erst oberhalb dieser Temperatur Bindungsprozesse im Werkstoff stattfinden, die die Festigkeit des Bauteils erhöhen. Probedrucke mit Bauteilen unterschiedlicher Geometrien beweisen die Funktionalität des Systems. Werkstoffversuche zeigen den verbessernden Effekt des Heizkonzepts. Bei Zugproben in horizontaler Richtung wurde eine Steigerung der Festigkeit um fast 50 % nachgewiesen. Sie zeigen allerdings auch deutlich, dass das Temperaturverhalten in praktischen Anwendungen weitaus komplexer ist und dessen Steuerung individuell bestimmt und angepasst werden muss. Für die Integration des erforschten Heizkonzeptes in eine industriellen Fertigungsanlage werden Industrie-Heizgeräte, welche zugeführte Druckluft auf bis zu 750 °C erwärmen, verwendet. Das entwickelte System steuert die Heizgeräte an, wobei der Benutzer eine Heizleistung oder einer Soll-Temperatur einstellen kann. Im letzteren Fall hält eine interne Regelung des Heizsystems die Wunschtemperatur. Das Heizsystem ist so ausgelegt, dass es leicht in weitere, andersartige Fertigungsanlagen eingebaut werden kann. Zudem ist die Möglichkeit einer nachträglichen Erweiterung durch einen Beschleunigungssensor gegeben, um so die Heizleistung individuell nach dem Bewegungsprofil der Druckdüse anzupassen.