Lokale Fügezonentemperierung optimiert Bauteileigenschaften - Hybride Fertigungszelle erlaubt Fertigung großvolumiger Bauteile durch additives Verfahren

Hybride Fertigungszelle des IKV zur additiven Fertigung großvolumiger Bauteile - (Bild: IKV / Fröls).

Additive Fertigungsverfahren bieten enorme Potenziale. Schnell lassen sich Bauteile mit komplexen Geometrien und innenliegenden Strukturen in einer Anlage ohne Werkzeugwechsel oder Rüstvorgänge fertigen. Gleichzeitig bringt der schichtweise Aufbau aber den Nachteil geringer mechanischer Eigenschaften in Aufbaurichtung mit sich. Genau damit beschäftigt sich das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen in einem aktuellen Forschungsprojekt und entwickelte eine spezifische Fügezonentemperierung mit der es möglich ist, die Bauteileigenschaften zu optimieren.

Die anisotropen Eigenschaften eines additiv gefertigten Bauteils lassen sich fertigungsbedingt nicht vermeiden. Jedoch sind die geringeren mechanischen Eigenschaften in Aufbaurichtung, die aus der Haftung der Einzelschichten untereinander resultieren, positiv beeinflussbar. Dies wiesen die Forscher am IKV jetzt mit der Entwicklung einer lokalen Fügezonentemperierung nach. Kurz vor Ablage der aktuellen Schicht wird die vorherige Schicht aufgeheizt, um die Verbindung beider Schichten und damit die Zugfestigkeit in Aufbaurichtung zu verbessern. Kernelement der Fügezonentemperierung ist ein Lufterhitzer, der die durchfließende Luft auf bis zu 650°C erhitzt und die Schicht somit konvektiv erwärmt. Installiert ist dieser in der hybriden Fertigungszelle des Instituts, die aus einem Schneckenextruder und einem Sechs-Achs-Roboter besteht. Während der Extruder für die Plastifizierung und den Ausstoß der thermoplastischen Schmelze sorgt, übernimmt der Roboter die Formgebung. So lassen sich hohe Massedurchsätze und großvolumige Bauteile mit komplexen Geometrien kombinieren.

Thermografie eines Bauteils während der additiven Fertigung mit lokaler Fügezonentemperierung - (Bild: IKV).

Zugversuche an hergestellten Probekörpern erbrachten den Beweis: Das Erhitzen der vorherigen Schicht sorgt für einen höheren E-Modul, der auf die bessere Schichthaftung zurück zu führen ist. Ganz klar zu sehen ist auch, dass die Steigerung der Lufttemperatur den positiven Effekt weiter verstärkt. Die gegenteilige Maßnahme, die aktive Schichtkühlung, die ebenfalls untersucht wurde, verringert zwar Schichthaftung und E-Modul, wirkt sich dafür aber positiv auf die Formstabilität aus. Konsequenterweise galt es nun, die beiden positiven Effekte miteinander zu kombinieren. Hier wurde zunächst die vorherige Schicht zur Verbesserung der Schichthaftung aufgeheizt, um anschließend den aktuell ausgetragenen und abgelegten Kunststoff zu kühlen und so die Formstabilität des Bauteils zu erhöhen. Die durchgeführten Versuche bestätigen die Vorteile einer Fügezonentemperierung, die weitere Optimierungspotentiale für additiv gefertigte Bauteile bietet.

30. Internationales Kolloquium Kunststofftechnik, 9.-10. September 2020, Aachen

Weitere Informationen: www.ikv-aachen.de/veranstaltungen/kolloquium, www.ikv-aachen.de

Institut für Kunststoffverarbeitung, Aachen

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