Additive Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile mit dem Laser-Sinterprozess

Das Ziel dieser Dissertation besteht in der prozessseitigen Ertüchtigung des LS-Prozesses zur automatisierten Integration von Endlosfasern in die durch den LS-Prozess erzeugten Bauteilschichten. Durch die systematische Entwicklung einer LS-Maschine soll damit eine Kombination der Vorteile des LS-Prozesses mit den Vorteilen der Endlosfaserverstärkung erreicht werden. Zur Erreichung der übergeordneten Zielstellung erfolgen in dieser Arbeit die systematische Entwicklung einer prototypischen LS-Maschine mit automatisierter Endlosfaserintegration gemäß VDI 2221 sowie die Herleitung der durch das ausgewählte Faserintegrationskonzept bedingten Einfluss- und Zielgrößen. Im Rahmen einer Vorstudie werden initiale Betriebspunkte identifiziert, die den Ausgangspunkt für eine tiefgreifende Prozessanalyse mithilfe eines Split-Plot-Versuchsplans bilden. Anhand eines Finite-Elemente-Modells in COMSOL Multiphysics erfolgt anschließend die simulationsgestützte Bestimmung eines optimierten Betriebspunktbereichs für eine prozesssichere sowie reproduzierbare Endlosfaserintegration. Die identifizierten Betriebspunkte werden anschließend mithilfe eines Wirkungsflächenversuchsplans experimentell validiert und adaptiert. Auf Basis des erlangten Prozessverständnisses zur Endlosfaserintegration werden abschließend die systematische Steigerung des Faservolumengehalts (FVG) und die experimentelle Bestimmung mechanischer Zugeigenschaften von unidirektional verstärkten Proben gemäß ISO 527 adressiert. Im Vergleich zu unverstärkten PA12-Proben besitzen die gefertigten eFKV-Bauteile aus der entwickelten LS-Maschine einen um 30-Fach höheren E-Modul und eine um rund 8-Fach höhere Zugfestigkeit.

Die additive Fertigung von endlosfaserverstärkten Faserkunststoffverbunden (eFKV) bietet einen vielversprechenden Lösungsansatz zur werkzeuglosen sowie zeiteffizienten Herstellung von hochbelastbaren Leichtbaukomponenten mit hohem Individualisierungs- und Komplexitätsgrad. Im aktuellen Stand der Forschung und Technik zur additiven Herstellung von eFKV haben sich die Materialextrusion (MEX) sowie die badbasierte Photopolymerisation (engl.: Vat-Photopolymerisation, kurz: VPP) etabliert. Allerdings weisen die mit diesen Verfahren hergestellten eFKV-Bauteile einige Nachteile auf. Durch den prozessbedingten Einsatz von Stützstrukturen bei MEX und VPP ist die erzielbare Bauteilkomplexität limitiert. Dies bedingt zeit- sowie kostenintensive Nachbearbeitungsschritte zur Entfernung und Entsorgung der Stützstrukturen. Zur Vermeidung der genannten Nachteile von VPP und MEX konnte sich der Laser-Sinterprozess (LS) im industriellen Umfeld etablieren. Durch den Wegfall von Stützstrukturen ermöglicht der LS-Prozess die Herstellung hochkomplexer Funktionsbauteile mit nahezu isotropen mechanischen Eigenschaften. Beim LS-Prozess fungiert das unaufgeschmolzene Pulver als Stützmaterial, wodurch kosten- und zeitintensive Nachbearbeitungsschritte entfallen. Das LS-Verfahren schafft somit Kunststoffbauteile mit idealen Grundeigenschaften für qualitativ hochwertige eFKV. Allerdings gibt es im aktuellen Stand der Forschung und Technik keine kommerziell erhältliche LS-Maschinen, die eine Kombination der verfahrensspezifischen Vorteile des LS-Verfahrens mit den Verstärkungseigenschaften von Endlosfasern adressieren. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der prozessseitigen Ertüchtigung des LS-Prozesses zur automatisierten Integration von Endlosfasern in die durch den LS-Prozess erzeugten Bauteilschichten. Durch die systematische Entwicklung einer LS-Maschine soll damit eine Kombination der Vorteile des LS-Prozesses mit den Vorteilen der Endlosfaserverstärkung erreicht werden. Zur Erreichung der übergeordneten Zielstellung erfolgen in dieser Arbeit die systematische Entwicklung einer prototypischen LS-Maschine mit automatisierter Endlosfaserintegration gemäß VDI 2221 sowie die Herleitung der durch das ausgewählte Faserintegrationskonzept bedingten Einfluss- und Zielgrößen. Im Rahmen einer Vorstudie werden initiale Betriebspunkte identifiziert, die den Ausgangspunkt für eine tiefgreifende Prozessanalyse mithilfe eines Split-Plot-Versuchsplans bilden. Anhand eines Finite-Elemente-Modells in COMSOL Multiphysics erfolgt anschließend die simulationsgestützte Bestimmung eines optimierten Betriebspunktbereichs für eine prozesssichere sowie reproduzierbare Endlosfaserintegration. Die identifizierten Betriebspunkte werden anschließend mithilfe eines Wirkungsflächenversuchsplans experimentell validiert und adaptiert. Auf Basis des erlangten Prozessverständnisses zur Endlosfaserintegration werden abschließend die systematische Steigerung des Faservolumengehalts (FVG) und die experimentelle Bestimmung mechanischer Zugeigenschaften von unidirektional verstärkten Proben gemäß ISO 527 adressiert. Im Vergleich zu unverstärkten PA12-Proben besitzen die gefertigten eFKV-Bauteile aus der entwickelten LS-Maschine einen um 30-Fach höheren E-Modul und eine um rund 8-Fach höhere Zugfestigkeit. Durch die Herstellung von zwei Sauggreifern mit Funktionsintegration und einem Plattformpedal für Mountainbikes wird das Potenzial dieses neuartigen Verfahrens aufgezeigt.