Additive Fertigungsverfahren erobern derzeit den Endkundenmarkt und gewinnen auch im industriellen Sektor immer mehr an Bedeutung. Allerdings gibt nur es nur wenige industrielle Arbeiten, die sich mit der Simulation des Fused Deposition Modeling (FDM) beschäftigen. Dies erschwert für Unternehmen die Einführung neuer Materialsysteme und die volle Potenzialausschöpfung des Fertigungsverfahrens. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten wurden daher die Vorgänge beim Druckprozesses in Abhängigkeit der Düsengeometrie-, Material- und Verarbeitungsparameter sowohl experimentell als simulativ untersucht. Dazu wurden geeignete Methoden zur messtechnischen Erfassung der Aufschmelz- und Fließvorgänge erprobt und darauf basierend numerische Modelle entwickelt, die die Zwei-Phasenströmung beschreiben. Der Vergleich der numerischen Berechnungen mit den experimentellen Daten zeigte, dass die benötigte Vorschubkraft, sowie der Übergang von stabilem zu instabilem Prozessbereich bei steigenden Druckgeschwindigkeiten mit guter Approximation reproduziert werden kann. Basierend darauf wurde ein Simulationstool entwickelt, welches die numerische Simulation von Standarddüsengeometrien ermöglicht. Das öffentlich zugängliche Tool erleichtert so die simulationsgestützte, verbesserte Auslegung von FDM-Prozessen, speziell angepasst an das einzusetzende Material.
Aktualisiert: 2023-05-04
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Die richtige Farbeinstellung spielt bei Kunststoffen eine große Rolle, da sie neben der Form das erste wahrgenommene Merkmal von Produkten ist. Farbabweichungen oder Farbunterschiede bei Kunststoffprodukten suggerieren mangelnde Qualität unabhängig von den nachweislichen technischen Funktionalitäten. Daher wird ein hoher Aufwand betrieben, um die gewünschte Farbeinstellung zu erreichen.
Der Weg zur gewünschten Farbeinstellung ist lang, was insbesondere dem aktuell gängigen Verfahren der Farbrezeptierung geschuldet ist. Dieses basiert auf der Nutzung von so genannten Eichreihen, welche für jedes Farbmittel, jedes Additiv, jeden Füllstoff und in geringem Maße auch für jedes Polymer erstellt werden müssen. Dabei müssen bis zu 15 Farbeinstellungen pro Farbmittel realisiert werden, anhand derer die optischen Konstanten Absorption (K) und Streuung (S) bestimmt werden können.
Um dieses Vorgehen der Eichreihenerstellung zu eliminieren bzw. deutlich zu reduzieren, wurde untersucht, inwieweit es möglich ist die optischen Konstanten mit kalibrierfreien Methoden zu ermitteln, sodass eine deutlich geringere Probenanzahl für deren Bestimmung benötigt wird. Hierzu kamen verschiedene Messverfahren zum Einsatz, wobei sich die absolute Bestimmung der optischen Konstanten mittels Ulbrichtkugel (UK) als geeignetstes Verfahren herauskristallisiert hat.
Für die Vorhersage der Farbmittelkonzentrationen wurden verschiedene Optimierungsverfahren untersucht, wobei die besten Ergebnisse bei der Optimierung auf die optischen Konstanten erzielt werden konnten.
Aktualisiert: 2022-12-22
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Der entscheidende technologische Vorteil von Thermoplastischen Elastomeren (TPE) gegenüber vernetzten Elastomeren besteht darin, dass TPE entropieelastische Eigenschaften aufweisen, aber nicht irreversibel chemisch vernetzt sind. TPE können immer wieder thermoplastisch umgeformt werden. Aus diesen chemischen Aufbau resultiert auch, dass soe thermisch und dynamisch weniger belastbar sind als „klassische“ Gummierzeugnisse. Vor allem weisen sie eine relativ hohe bleibende Verformung unter Druck (Druckverformungsrest) sowie eine deutlich höhere Kriechneigung bei lang anhaltender oder dynamischer Belastung auf.
Ziel dieses Projektes war es, TPE so zu modifizieren, dass sie sich im Rückstellverhalten und der dynamischen Belastbarkeit deutlich von konventionellen TPE abheben. Der Ansatz dafür war die Optimierung der TPE mit kurzen Fasern. Durch eine solche Modifizierung konnten in Voruntersuchungen mit Elastomeren erhebliche Veränderungen im viskosen, mechanischen und thermischen Verhalten erzielt werden. Um die vielversprechenden Vorteile der Fasermodifizierung für TPE auszunutzen, wurden im Projekt technisch umsetzbare Lösungen gefunden, textilen Kurzschnitt gleichmäßig zu verteilen und die Fasern zu vereinzeln. Zudem wurde die Haftung zwischen der textilen Faser und der TPE-Matrix optimiert.Zur Erreichung der genannten Projektziele wurden umfangreiche Verarbeitungs- und Formulierungsarbeiten durchgeführt und dargestellt. Ein Statistischer Versuchsplan für die Zweischneckenextrusion wurde erstellt, bearbeitet und ausgewertet. Es wurden Rezepturen und Verfahrensparameter erarbeitet und dargestellt, welche eine aussichtsreiche Herstellung und Industrialisierung eines fasermodifizierten TPS erlauben, welches deutliche Vorteile beim Druckverformungsrest unter hohen Temperaturen.
Aktualisiert: 2022-12-08
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Den Fokus der durchgeführten Forschungstätigkeiten bildete der Erkenntnisgewinn über das Schweißverhalten von selektiv lasergesinterten (LS) Kunststoffbauteilen. Es wurden erstmals Wissensdefizite über die Materialsubstitution von z. B. spritzgegossenen zu additiv gefertigten Kunststoffbauteilen aus PA12 im Hinblick auf resultierende Fügenaht- und Produktqualität geschlossen. Zudem wurden Design- und Fertigungskriterien für bestehende und zukünftige Anwendungen erschlossen.
Als Schweißverfahren wurden das Ultraschallschweißen und das Heizelementschweißen eingesetzt, welche beide für die Kleinserienproduktion geeignet sind und sich hinsichtlich ihres Energieeintrags unterscheiden. Neben der Variation der Schweißparameter wurde der Einfluss verschiedener Baurichtungen bei LS-Anfertigung auf die Schweißprozesse und die resultierenden Nahtfestigkeiten untersucht sowie die LS-Prozessparameter Bestrahlungsstäke und Altpulveranteil variiert.
Die Schweißversuche mit anschließender Fügenahtcharakterisierung erzielten vielversprechende Ergebnisse für eine branchenübergreifende Anwendung lasergesinterter Kunststoffbauteile. So lässt sich festhalten, dass LS-Bauteile aus PA12 sehr gut mittels Ultraschall und Heizelement schweißbar sind und sogar Nahtfestigkeiten über den gewohnten Niveaus von PA12 als Spritzgussmaterial erzielt werden können. Für die Ultraschallschweißungen konnte zudem gezeigt werden, dass Schweißungen zwischen LS- und Spritzgussbauteilen aus PA12 hohe Festigkeitswerte erzielen. Trotzdem gilt es, einige Restriktionen wie beispielsweise die Staubbildung und Werkzeugverschleiß beim Ultraschallschweißen zu beachten.
Aktualisiert: 2021-12-20
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