SKZ: Prüfung und Bewertung des mechanischen Langzeitverhaltens von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen

Im Rahmen eines kürzlich abgeschlossenen Forschungsvorhabens wurde das Langzeitverhalten von additiv hergestellten Bauteilen systematisch untersucht - (Bild: SKZ).

Additive Fertigungsverfahren, insbesondere das Lasersinterverfahren (LS) und das Strangablegeverfahren (FDM bzw. FFF), etablieren sich zunehmend bei der industriellen Produktion von Kunststoffbauteilen. Als Voraussetzung für einen Einsatz als vollwertiges Fertigungsverfahren gilt die Kenntnis des kurz- und langzeitigen Verhaltens der Bauteile. Zur sicheren Bauteildimensionierung ist die Kenntnis der mechanischen Langzeiteigenschaften unabdingbar – bislang jedoch kaum bekannt.

Das SKZ hat im Rahmen eines kürzlich erfolgreich abgeschlossenen Forschungsvorhabens dieses Grundlagenwissen für das Lasersinterverfahren (an PA 12) und für das Strangablegeverfahren (an ABS) systematisch erarbeitet. Dazu wurde das mechanische Langzeitverhalten unter statischer und dynamisch-zyklischer Zugbeanspruchung in Relation zum Kurzzeitzugverhalten untersucht. Die Prüfungen wurden an additiv sowie konventionell (Spritzguss / Pressen) aus identischen Werkstoffen gefertigten Teilen bei einer Temperatur von 23°C durchgeführt. Die zur Auslegung von Bauteilen benötigten Festigkeitswerte und das Bruchverhalten unterscheiden sich für die betrachteten Fertigungsverfahren und sind bei additiver Fertigung baurichtungsbedingt anisotrop. Diese im Kurzzeitzugverhalten festgestellten Unterschiede spiegeln sich auch im statischen sowie dynamisch-zyklischen Langzeitzugverhalten wider. Durch eine Normierung des Langzeitverhaltens auf die jeweilige Kurzzeitzugfestigkeit konnte gezeigt werden, dass die zeitliche Abnahme der Maximalfestigkeiten bei langzeitiger mechanischer Beanspruchung vom Material und nicht vom gewählten Fertigungsverfahren dominiert wird. Damit erscheint eine Festigkeitsauslegung analog zu konventionell gefertigten Teilen möglich. Soll ein additiv gefertigtes Teil in Baurichtung beansprucht werden, so ist im Hinblick auf die Langzeitzugeigenschaften ein zusätzlicher Abminderungsfaktor zu berücksichtigen. Die Ergebnisse konnten im Rahmen einer Benchmark-Untersuchung für additiv gefertigte Teile aus der Industrie bestätigt werden.

Damit wurde zum einen eine systematische Vorgehensweise zur Ermittlung der auslegungsrelevanten mechanischen Kenngrößen (insbesondere Kurz- und Langzeitzugfestigkeit) entwickelt sowie zum anderen derzeit industriell erreichbare Referenzwerte quantifiziert. Unternehmen können diese Erkenntnisse zur Auslegung, Charakterisierung und Bewertung eigener additiv gefertigter Kunststoffbauteile nutzen.

Das Vorhaben 19020 N der Forschungsvereinigung FSKZ e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Weitere Informationen: www.skz.de

SKZ - Das Kunststoff-Zentrum, Würzburg

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