In-Situ Konsolidierung von PEEK auf UD-Laminate im Schmelzschichtverfahren

Abstract

Die additive Fertigung von Hochleistungs-Thermoplasten wie PEEK (Polyetheretherketon) durch Materialextrusion hat in den vergangenen Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Die maximalen Abmaße der gedruckten Bauteile sowie die entstehenden Materialeigenschaften sind mit dem aktuellen Stand der Anlagentechnik aber noch stark limitiert. Ein neuer Ansatz, um die Flexibilität des 3D-Druck dennoch für Primärstrukturen in der Luft- und Raumfahrt nutzbar zu machen, ist die Herstellung von Hybridstrukturen durch das Überdrucken von endlosfaserverstärkten, thermoplastischen Laminaten. Beim Überdrucken soll die Fügung zwischen 3D-Druck und Laminat in-situ beim Drucken hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, komplexe, leistungsfähige und funktionale Strukturen effizient herzustellen. Der Prozess des Überdruckens befindet sich aktuell allerdings noch in der Anfangsphase. Insbesondere für Hochtemperatur-Thermoplaste wie PEEK liegen noch keine belastbaren Untersuchungen zu dem Verbund zwischen 3D-Druck und Laminat oder der Prozessführung beim Überdrucken vor. Um den Prozess aber für ein breites Anwendungsfeld nutzbar zu machen, ist es notwendig, die Mechanismen zu verstehen, vorhersagen zu können und den Prozess auf großen und komplexen Strukturen umsetzen zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, erstmalig einen großvolumigen Druckprozess zum Überdrucken von beliebig gekrümmten PEEK Laminaten zu entwickeln. Dazu wird zunächst der Schichtverbund zwischen 3D-Druck und Laminat systematisch untersucht, um die wichtigsten Bindungsmechanismen und Prozesseinflüsse zu identifizieren. Die Untersuchung teilt sich in eine experimentelle Charakterisierung des Schichtverbunds sowie in eine Modellierung und simulative Vorhersage. Die entwickelte Methodik und die gesammelten Erkenntnisse werden anschließend genutzt, um Anforderungen an die Skalierung des Prozesses abzuleiten. Zur Erfüllung dieser Anforderungen werden technische Lösungen für einen Roboter-gestützten Prozess entwickelt und erprobt. In der experimentellen Charakterisierung werden die komplexen Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Schichtverbund mithilfe von statistischer Versuchsplanung untersucht. Dazu wird zunächst ein Screening der Prozessparameter durchgeführt, um die wichtigsten Einflussgrößen zu ermitteln. In einem zweiten Schritt werden diese Einflussgrößen genauer analysiert. Die Versuche zeigen, dass die Grenzschichttemperatur ein entscheidender Faktor für die Fügung ist und dass die Fügung primär auf einer thermischen Reaktion beruht. Dabei werden Festigkeiten bis zu 40 MPa erreicht. Die Ergebnisse zeigen allerdings auch, dass die Benetzung des Laminats ein entscheidender Faktor ist, wodurch hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Prozesses gestellt werden. Ein statistischer Nachweis über die Bindungsmechanismen kann allerdings nicht geführt werden, da die Ergebnisse mit einer hohen Streuung versehen sind. Um diese Lücken zu schließen, wird eine simulative Modellierung des Schichtverbunds durchgeführt. Dabei wird der Temperaturverlauf der Grenzschicht zwischen Druck und Laminat durch ein FEM (Finite-Elemente-Methode) Modell berechnet. Mit diesem Temperaturverlauf wird die Diffusionsheilung der Grenzschicht vorhergesagt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine mangelnde Benetzung vor allem die Diffusion hemmt. Unter Berücksichtigung der Benetzung kann die Festigkeit erfolgreich vorhergesagt werden. Für die abschließende Skalierung des Prozesses werden mithilfe der Versuchs- und Simulationsmethodik Anforderungen für den Roboter-gestützten Prozess formuliert. Die wichtigsten Anforderungen sind eine Vorheiztemperatur des Substrats von mindestens 200 °C und eine Kontrolle der Toleranzkette des gesamten Prozesses. Für das Vorheizen des Substrats wird eine mitgeführte Heizung entwickelt. Diese Heizung kann die mechanischen Eigenschaften von gedrucktem PEEK effektiv steigern. Beim Vorheizen ergibt sich ein Zielkonflikt zwischen Vorheiztemperatur und Bewegungsfreiheit des Roboters, wodurch die Anforderung nur mit Einschränkungen erfüllt werden kann. Zur Kontrolle der Toleranzkette wird eine Prozessführung vorgeschlagen, die auf der Realgeometrie des Laminats basiert und eventuelle Abweichungen des Laminats kompensiert. Damit können die Anforderungen an die Genauigkeit erfolgreich eingehalten werden. Zusammengefasst konnte erstmals ein Prozess zum Überdrucken von Laminaten aus Hoch-leistungs-Thermoplasten vorgestellt werden, der das Überdrucken von beliebig großen und beliebig gekrümmten Laminaten ermöglicht. Dazu wurden die wissenschaftlichen Grundlagen des Schichtverbunds zwischen 3D-Druck und Laminat in einer systematischen Studie erarbeitet. Damit bildet die Arbeit die Grundlage für eine künftige Reifmachung und Industrialisierung des Prozesses.