Neue Wege zur additiven Fertigung mechanisch hochwertiger und geometrietreuer Bauteile aus teilkristallinen Polymeren

Bei der additiven Fertigung von Bauteilen aus teilkristallinen Polymeren gilt es eine homogene Struktur ohne innere Grenzflächen zu realisieren, um Verzugseffekte zu vermeiden und mechanische Eigenschaften zu optimieren. Ein Ansatzpunkt ist dabei eine auf das Polymer abgestimmte Steuerung des 3D-Druck-Prozesses. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Wege aufzuzeigen, wie dies durch Kombination von Materialverständnis, verbesserter Prozesskontrolle und geeigneten Bauteil- und Prozess-Simulationen zu erreichen ist. Es wird erforscht, ob und wie es durch Abstimmung der Prozessparameter auf die Kristallisationskinetik des verwendeten Polymers gelingt, homogenere Bauteile mit besseren Eigenschaften herzustellen. Die Kristallisationskinetik verfügbarer Filamente wird im Detail quantifiziert, die Situation während des 3D-Drucks mittels Inline-Sensorik erfasst und der Einfluss von prozessbedingten Inhomogenitäten auf die Bauteileigenschaften wird durch Vergleich von Simulation und Experiment quantifiziert.

Dies ist ein Verbundprojekt mit der MLU Halle und dem Fraunhoferinstitut für Mikrostrukturen von Werkstoffen und Systemen. In diesem Teilprojekt wird eine Simulations-Toolchain für die Vorhersage der inhomogenen mechanischen Eigenschaften und den Verzug von im 3D-Druck hergestellten Bauteilen für die am häufigsten verwendeten Polymerfilamenten erarbeitet, welche an den Ergebnisse der experimentellen Befunde der Projektpartner kalibriert und verifiziert wird. Mit einem verlässlichen Simulationstool kann anschließend eine numerische Optimierung der simulativ abgebildeten Eigenschaften erfolgen.

In the additive production of components made of semi-crystalline polymers, a homogeneous structure without internal interfaces must be achieved in order to avoid distortion effects and to optimize mechanical properties. One starting point is a control of the 3D printing process that is adapted to the polymer. The aim of the research project is to show ways how this can be achieved by combining material understanding, improved process control and suitable component and process simulations. It is being investigated whether and how it is possible to produce more homogeneous components with better properties by adjusting the process parameters to the crystallization kinetics of the polymer used. The crystallization kinetics of available filaments will be quantified in detail, the situation during 3D printing will be detected by inline sensors and the influence of process-related inhomogeneities on the component properties will be quantified by comparing simulation and experiment.

This is a joint project with MLU Halle and the Fraunhofer Institute for Microstructures of Materials and Systems. In this subproject a simulation toolchain for the prediction of inhomogeneous mechanical properties and warpage of components manufactured by 3D printing for the most commonly used polymer filaments is developed, which will be calibrated and verified on the basis of the experimental findings of the project partners. Using a reliable simulation tool, a numerical optimization of the simulated properties can then be performed.