Numerische und experimentelle Untersuchungen von dimensionslosen Materialparametern in der generativen Fertigung von Polymeren mittels Laser-Sintern zur beschleunigten Materialentwicklung und Prozessoptimierung – Phase 2: Erweiterung des Anwendungsfelds

• Antragsteller: Dr. Claas Bierwisch; Dr. Johannes Rudloff, seit 5/2022
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409621284

Verglichen mit anderen Fertigungsverfahren für Kunststoffbauteile, gibt es nur wenig verfügbare Materialien für das laserbasierte Pulverbettschweißen (engl. PBF/LB). Das übergeordnete Ziel des Schwerpunktprogramms besteht darin, diese Limitierung aufzulösen. Zahlreiche Forschergruppen arbeiten derzeit daran, neue Ausgangspulver und Herstellungsmethoden zu entwickeln. Die Komplexität und hohen Materialanforderungen des PBF/LB erschwert die Entwicklung neuer Pulver. Um die Pulverentwicklung zu beschleunigen, ist ein besseres Prozessverständnis notwendig. Dabei ist insbesondere der Einfluss von Materialeigenschaften auf das Verarbeitungsverhalten von Interesse. Neben der verbesserten Pulverentwicklung, sollen auch Verarbeitungsparameter materialspezifisch eingestellt werden können. Das gesteigerte Prozessverständnis soll außerdem dazu genutzt werden, um Bauteile reproduzierbar mit verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen.Das Hauptziel des Projektes besteht darin, dimensionslose Kennzahlen zu entwickeln, welche den PBF/LB-Prozess abbilden können und die Festlegung von stabilen Prozessfenstern materialabhängig ermöglichen. In der ersten Förderperiode führten theoretische Betrachtungen und numerische Simulationen zu einem gesteigerten Verständnis von Material-Prozess-Beziehungen. Weitere Untersuchungen sind allerdings nötig, um bislang vernachlässigte Materialparameter mit zu berücksichtigen. Außerdem sollen auftretende Effekte beim Drucken von mehreren Schichten tiefergehend untersucht werden.Das erste Unterziel besteht darin, Zusammenhänge weiterer intrinsischer und extrinsischer Materialparameter mit dem Prozess zu erforschen. Als extrinsische Materialparameter sollen die Einflüsse von Form und Größe der Polymerpartikel auf insbesondere das Koaleszenzverhalten im PBF/LB-Prozess untersucht werden. Intrinsische Materialparameter, deren Einfluss untersucht werden sollen, sind viskoelastische Eigenschaften und die Kristallisationskinetik. Außerdem soll der Laser-Abschwächungskoeffizient in unterschiedlichen Polymeren bzw. Polymermischungen vertieft analysiert werden. Da es hierfür bislang noch keine etablierten Messverfahren gibt, soll eine Analysemethode entwickelt werden. In numerischen Simulationen soll der Einfluss aller genannten Materialparameter untersucht und die jeweilige Relevanz für die Verarbeitbarkeit bestimmt werden.Das zweite Unterziel besteht darin, die aus den dimensionslosen Kennzahlen abgeleiteten Prozessfenster mit weiteren Materialien zu validieren. Dazu sollen neuartige Pulver von kooperierenden Gruppen verwendet werden. Neben der Validierung können somit neu entwickelte Pulver bezüglich ihrer Verarbeitbarkeit untersucht werden.Das dritte Unterziel hat den Einfluss des Aufbringens mehrerer aufeinanderfolgender Schichten im Fokus. Dabei soll das stationäre Schmelz- und Koaleszenzverhalten von zehn Schichten untersucht werden, welches vermutlich von dem Zeitintervall zwischen dem Aufbringen der Schichten abhängt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Bastian, bis 5/2022