Grundlegende Untersuchung und Modellierung der Filament Extension Atomization zur Herstellung von Polymerpulvern für das selektive Lasersintern

• Antragsteller: Dr.-Ing. Steffen Jesinghausen
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550670348

Das selektive Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren für Kunststoffbauteile, welches bereits vielfältig im Bereich kleiner Serienfertigungen eingesetzt wird. Eine weitere Verbreitung ist aber derzeit durch eine stark eingeschränkte Materialauswahl behindert, da das Ausgangsmaterial sehr spezifische disperse Eigenschaften aufweisen muss. Während für PA12 ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von SLS-Pulver existiert, können andere Polymere meist nur über energie- und kostenintensive Prozesse (z.B. Kryomahlung und anschließende Verwundung) hergestellt werden. Daher soll die Filament Extension Atomization (FEA) als alternatives Herstellungsverfahren für feindisperse, sphärische Polymerpartikel grundlegend untersucht werden, um eine Modellierung zu ermöglichen und ein Verständnis zu entwickeln, welche neuen Materialien bei passenden Prozessparametern zu SLS-Pulver verarbeitet werden können. Die FEA ist ein neues Verfahren, um schwer zu versprühende Flüssigkeiten – primär Polymerlösungen – bei Raumtemperatur zu dispergieren. Das Verfahren besteht vereinfacht aus zwei entgegengesetzt rotierenden Walzen, welche eine Flüssigkeit über einen kleinen Spalt fördern, sodass sich beim Austreten einzelne Filamente bilden, die dann in einzelne Tröpfchen zerfallen. Der große Vorteil dieser Methode liegt darin, dass eine Dehnverfestigung und sehr große Viskositäten, welche gewöhnliche Sprühprozesse i. d. R. unmöglich machen, zur Filamententstehung vorteilhaft sind. Bisher gibt es allerdings keine theoretische Modellierung des Prozesses, der beispielsweise eine Vorhersage von Materialeignung oder entstehender Tropfengröße ermöglicht. Dies ist für die Weiterentwicklung der Methode unerlässlich. In diesem Forschungsvorhaben sollen die Lücken zwischen der Modellierung, dem Prozess und der Materialwahl geschlossen und das Verfahren dahingehend weiterentwickelt werden, Polymere bei geeigneten Temperaturen zu verarbeiten. Der Fokus liegt auf der Modellierung des Tropfenbildungsprozesses und der Vorhersage der Material- sowie der Pulvereigenschaften. Hierfür sollen gezielte dehnrheometrische Untersuchungen an teils selbst entwickelten Aufbauten durchgeführt werden, um die Elementarprozesse bei der Filament- und Tropfenentstehung isoliert betrachten zu können. Zusätzlich wird eine Apparatur zur FEA im Labormaßstab aufgebaut, welche zuvor identifizierte Parameter wie Walzenabstand und -geometrie oder Drehgeschwindigkeit und Temperatur exakt variieren kann. Parallel werden die Prozesse theoretisch und simulativ beschrieben. Ein Abgleich auf den unterschiedlichen Ebenen soll es ermöglichen, die Modelle anzupassen und entsprechende Materialparameter zu ermitteln, so dass eine Simulation des Gesamtprozesses mit ausreichender Genauigkeit ermöglicht wird. Abschließend ist die Herstellung kleiner Mengen Pulver und die Verarbeitung in einer speziell modifizierten SLS-Anlage für geringe Pulvermengen geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen