Untersuchung des Zusammenhanges zwischen Abkühlverhalten und qualitätskritischen Bauteileigenschaften im Großformat-3D-Druck

Kurzfassung

Bei der additiven Materialextrusion wird ein thermoplastischer Kunststoff aufgeschmolzen, durch eine Düse extrudiert und als Strang abgelegt. Durch eine häufige Wiederholung dieses Schrittes wird schichtweise ein dreidimensionales Bauteil aufgebaut. Da während dieses Herstellungsverfahrens ein Kunststoff aufgeschmolzen wird und wieder erstarren muss, hängen die Eigenschaften des gefertigten Bauteils stark von Prozessrandbedingungen wie Drucktemperatur und -geschwindigkeit ab. Ziel dieser Masterarbeit ist es daher, mit Hilfe von thermografischen Messungen das Abkühlverhalten von Bauteilen während der additiven Materialextrusion zu messen und die Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften zu untersuchen. Es wird untersucht, wie eine Thermokamera zu einem Messobjekt positioniert werden muss und wo der Messpunkt während der Auswertung platziert werden muss, damit eine sinnvolle Messung des Abkühlverhaltens möglich ist. Außerdem wird eine Methode, angelehnt an die VDI-Richtlinie 3511 vorgestellt, mit der eine einfache Ermittlung des Emissionswertes von Werkstoffen möglich ist. Es werden zwei Prüfbauteile aus Fiberthree PA-CF Pro und NatureWorks PLA Ingeo 2003D mit unterschiedlichen Druckparametern gedruckt, währenddessen wird das Abkühlverhalten der Bauteile thermografisch gemessen. Zur Charakterisierung des Abkühlverhaltens wird die isotherme Schweißzeit der verschiedenen Bauteile berechnet. Außerdem werden die Reptationszeiten von PA-CF Pro und PLA Ingeo 2003D rheologisch bestimmt. Mit Hilfe der Reptations- und Schweißzeiten wird eine Aussage über die zu erwartende Schichthaftung getroffen. Für PLA stimmt die getroffene Aussage gut mit durchgeführten Zugversuchen zur Ermittlung der Schichthaftung überein. Die getroffenen Vorhersagen für PA stimmen nicht mit den durchgeführten Zugversuchen überein, die reale Schichthaftung ist größer als die angenommene. Außerdem wird mit Hilfe von DSC-Messungen überprüft, ob unterschiedliche Abkühlverhalten der Bauteile zu unterschiedlichen Kristallisationsgraden führen. Dies konnte für das PA-CF Pro nicht festgestellt werden, da dieses sehr schnell kristallisiert. Bei PLA Ingeo 2003D trat nur bei sehr unterschiedlichen Abkühlverhalten ein unterschiedlicher Kristallisationsgrad auf, da das PLA sehr langsam kristallisiert. Sowohl Schichthaftung als auch Kristallisationsgrad lassen sich auf thermografischen Aufnahmen nur indirekt erkennen, zudem ist über diese Kriterien nur eine qualitative Aussage möglich. Als weitere Kriterien und Fehlerbilder, die durch die Thermografie erkennbar sind, wurden Delaminationen, Unterextrusion, unsauberer Überhang und Hotspots identifiziert. Für rheologische Untersuchungen zur Ermittlung von komplexen Werkstoffen wie PA-CF Pro, welches faserverstärkt und teilkristallin ist, muss ein verbessertes Verfahren gefunden werden, da hier eine mögliche Ursache dafür gesehen wird, dass die ermittelte Schichthaftung nicht zu der Vorhersage mit Hilfe der Reptations- und Schweißzeit passt. Abschließend wurden entstandene Fehlstellen an einem realen 3D-gedruckten Bauteil untersucht. Die Entstehung dieser Fehlstelle konnte plausibel mit Hilfe der Reptationstheorie, zusammen mit der Reptationszeit und der isothermen Schweißzeit erklärt werden.