Herstellung von Partikeln für das selektive Lasersintern über Flüssig-Flüssig-Phasenseparation und Fällung

• Antragsteller: Dr. Jochen Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409808524

Zielstellung dieses Projekts ist die Entwicklung neuartiger, teilkristalliner Polymerpartikelsysteme für das selektive Laserstrahlschmelzen (SLS) über Flüssig-Flüssigphasenseparation und Fällung für Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyoxymethylen (POM) sowie Polyvinylidenfluorid (PVDF). Auswahlkriterien für geeignete Lösemittel für die Phasenseparation werden über ein iteratives Screeningverfahren, das auf Hildebrand und Hansenparametern basiert, abgeleitet. In-situ-Modellexperimente sollen unter Nutzung von dynamischer Lichtstreuung, optischer Mikroskopie, Impedanzspektroskopie und ex-situ Elektronenmikroskopie detaillierte Einblicke in die während der Phasenseparation und Partikelbildung ablaufenden Prozesse liefern. Ein vertieftes mechanistisches Verständnis der Prozessschritte Nukleation, Koaleszenz und Wachstum sollen erarbeitet und deren Abhängigkeiten von der Systemzusammensetzung und der Temperatur-Zeit-Historie eingehend studiert werden. Der Fällprozess wird im kleineren Technikumsmaßstab etabliert, wobei der Zusammenhang zwischen Prozess- (z.B. Rühren, Kühlregime) und Materialparametern auf die resultierenden Schüttguteigenschaften der Produktpartikeln systematisch untersucht wird. Weiterhin wird die in-situ-Funktionalisierung der Partikeln mit nanopartikulären Fließhilfsmitteln sowie thermischen Stabilisatoren (Antioxidantien) studiert, es werden Scale-up-Kriterien abgeleitet und schließlich ausreichende Mengen der Pulver hergestellt, die Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit der neuartigen Partikelsysteme im SLS-Prozess erlauben werden. Eine eingehende Strukturcharakterisierung der SLS-Partikeln bezüglich Kristallinität, Polymorphismus, thermischen Eigenschaften sowie Morphologie erfolgt unter Nutzung von Differenzkalorimetrie, Röntgenbeugung, Schwingungsspektroskopie (IR, Raman) und Elektronenmikroskopie. Der Einfluss von Prozessparametern auf die Molmassenverteilung des Polymers sowie dessen Schmelzeviskosität wird mittels Gelpermeations-chromatographie und Schmelzerheologie untersucht. Schüttguteigenschaften der Produkte, insbesondere die für den SLS-Prozess besonderes relevanten Partikelgrößenverteilung und Fließfähigkeit werden mittels Laserbeugungsspektrometrie bzw. Schertestern und Modellexperimenten zum Pulverauftrag charakterisiert. Das erhaltene Verständnis zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und die von Kooperationspartnern gewonnenen Erkenntnisse zum SLS-Verarbeitungsverhalten der neuartigen Materialien werden zur weitergehenden Optimierung des Fällungsprozesses genutzt um die neuen Pulversysteme auf die gewünschten Eigenschaften hin anzupassen. Schließlich werden neuartige SLS-Pulver mit verbesserten Materialeigenschaften, wie beispielsweise hoher chemischer Beständigkeit (PET, PBT, PVDF), Schlagzähigkeit (PBT), hoher Steifigkeit oder exzellenter Dimensionsstabilität (PET, PBT, POM) verfügbar, die Möglichkeiten eröffnen das Anwendungsspektrum SLS-gefertigter Bauteile deutlich zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung
• Großgeräte: Druckreaktor
• Gerätegruppe: 1110 Reaktionsgefäße für Niederdruck, (Hydrierung, Katalyse, Polymerisation)