So druckt man besser! SKZ und Fraunhofer-IWM verbessern Lasersintern per Monolayer-Ansatz

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Ein ergänzter Monolayer-Ansatz ermöglicht die effizientere Prozessentwicklung beim Lasersintern, so das SKZ aus Würzburg. Simulationen, Druckversuche und mechanische Tests bewiesen die Praxistauglichkeit ...

Unter der Leitung von Dr.-Ing. Johannes Rudloff vom SKZ und in Zusammenarbeit mit Dr. Claas Bierwisch vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) konnte der in der ersten Projektphase entwickelte Monolayer-Ansatz für eine Verbesserung des Lasersinterns, eines additiven Fertigungsverfahrens, erfolgreich weiterentwickelt und validiert werden. Die Ergebnisse sind laut Aussage der Beteiligten in puncto Mehrschicht-Baujobs mit Polyamid 12 (PA12) und Polypropylen (PP) sehr vielversprechend. Das Lasersintern (PBF-LB/P) zählt, nebenbei erklärt, zu den wichtigsten Verfahren in der additiven Fertigung von Kunststoffen. Die begrenzte Materialvielfalt bleibe jedoch eine zentrale Herausforderung. Um das zu ändern, kombinierte das Projektteam numerische Simulationen mit Material- und Prozessdaten, um die Energieumwandlung im Verfahren anhand dimensionsloser Parameter für PA12- und PP-Pulver zu analysieren, wie man weiter erfährt. Durch einfache Monolayer-Druckversuche mit verschiedenen Energieeinträgen und anschließender Dickenmessungen konnte ein geeignetes Prozessfenster geöffnet werden. Dieser ressourcensparende Ansatz ermögliche nun eine signifikante Zeitersparnis in der Prozessentwicklung.

Optimale Eigenschaften für gedruckte PA12- und PP-Teile

Der optimale Punkt der eingetragenen Oberflächenenergie-Dichte ist dabei durch den Schnittpunkt der beiden dimensionslosen Kennzahlen für Energieeinbringung und Energiebedarf definiert – also dort, wo ihre Differenz null ist, wie man erklärt. Zur Verifizierung der prognostizierten Parameter wurden auch noch Zugprobekörper gefertigt und mechanisch getestet (Bild). Die Ergebnisse bestätigen demnach die Praxistauglichkeit der Methode. Denn bei ähnlichen Werten von Energieeinbringung und -bedarf wurden für PA12 und PP die besten mechanischen Eigenschaften erzielt. Das unterstreiche das Potenzial des Monolayer-Ansatzes, der somit als effektives Werkzeug zur schnellen und zuverlässigen Identifikation geeigneter Prozessparameter betrachtet werden könne, was auch für neuartige Materialien für diese Art von 3D-Druck der Fall sei. Ergänzend wurden Mehrschichtversuche durchgeführt, um den Einfluss der Zwischenschichtzeit (Inter Layer Time = ILT) auf die Bauteileigenschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse laut Aussage der Forscher eine Zunahme der Dichte bei steigender ILT, was im Einklang mit den Simulationen ist.

Das kann man als Fazit zu dem Thema schließlich sagen ...

Das Projekt leiste somit einen wertvollen Beitrag zur Weiterentwicklung des Lasersinterns und zur Integration neuer Materialien in die Welt der additiven Fertigung. Denn die dabei entwickelten Methoden ermöglichen eine schnellere, effizientere und wissenschaftlich fundierte Prozessentwicklung. Weitere geförderte Umsetzungsprojekte befinden sich übrigens in Vorbereitung und sollen innerhalb der nächsten sechs Monate starten. Damit wurde das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt mit dem Titel „Numerische und experimentelle Untersuchungen von dimensionslosen Materialparametern in der generativen Fertigung von Polymeren mittels Laser-Sintern – Teil 2: Erweiterung des Anwendungsfelds“ (Förderkennzeichen BA 1841/32-2), nach rund 3,5 Jahren erfolgreich abgeschlossen. Das SKZ freut sich nun über Anfragen aus der Industrie, um die Anwendung von Simulationen und dimensionslosen Kennzahlen für eine zielgerichtetere Materialentwicklung und Prozessauslegung beim Lasersintern voranzutreiben.

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