Neue Entwicklungen in der Additiven Fertigung

Während generative Fertigungsverfahren bis vor einigen Jahren nahezu ausschließlich im Prototypenbau eingesetzt wurden, stellen sie heute eine Fertigungstechnologie zur Herstellung spezieller Endprodukte dar. Der Erschließung breiterer Anwendungsfelder und dem ‘rapid manufacturing‘ stehen unter anderem noch die eingeschränkte Auswahl an gut verarbeitbaren, kommerziellen Materialien entgegen: momentan ist praktisch nur Polyamid-12 als optimiertes Strahlschmelzmaterial erhältlich. Im Folgenden wird eine Prozessroute zur Herstellung von Pulverwerkstoffen für das Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen für Polybutylenterephthalat (PBT) vorgestellt. Die Prozesskette umfasst die Teilschritte Nasszerkleinerung, Verrundung, sowie das trockene Beschichten. Gut fließfähige, im Laserstrahlschmelzprozess verarbeitbare Mikropartikeln werden erhalten. Der Einfluss von Partikeleigenschaften auf die resultierende Bauteilgüte wird aufgezeigt.

Im Rahmen dieses Beitrags wird das Schmelzeemulgieren als Verfahren zur Herstel-lung von Polymermikropartikeln vorgestellt. In diesem Prozess wird zunächst ein Polymergranulat in einer kontinuierlichen Phase in Gegenwart geeigneter Additive in einem Rührbehälter aufgeschmolzen, die Rohemulsion in einer Rotor-Stator-Einheit feinemulgiert und anschließend zu einer Suspension abgekühlt. Der Einfluss von Prozessparametern und Systemzusam-mensetzung auf das Emulgierergebnis wird diskutiert und die Anwendbarkeit des Verfahrens für polymere Mikropartikeln anhand von Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE-HD) dargestellt. Die erhaltenen Suspensionen werden zur Überführung in Pulverform sprühgetrocknet und die Fließeigenschaften des Pulvers analysiert. Durch trockenes Beschichten mit pyrogener Kieselsäure kann die Fließfähigkeit der erhaltenen Partikeln weiter verbessert werden. Das Verfahren bietet somit einen neuen Zugang zur Herstellung neuer Ausgangsmaterialien für die Additive Fertigung.

Es werden zwei Prozessrouten für eine Funktionalisierung von partikulären Ausgangsmaterialien für das Laserstrahlschmelzen (LSM) präsentiert. Der erste Prozess stellt eine Adhärierung von nanoskaligen Additiven auf Polymerpartikeln dar. Die Adhärierung erfolgt rein über physikalische Wechselwirkungen. Hierbei wird der Einfluss der Oberflächeneigenschaften der Polymere auf das Beschichtungsergebnis diskutiert. Neben einer Untersuchung mittels Rasterelektronenmikroskopie konnte die Fließfähigkeit unter prozessnahen Auflasten mittels eines Zugspannungstesters gemessen werden. Im zweiten Prozess wird die Oberflächenenergie der Polymerpartikeln mittels eines atmosphärischen Plasmas erhöht. Diese chemische Funktionalisierung erfolgt in einem Wirbelschichtreaktor.

Bei beiden Prozessen konnten Einzelschichten mittels LSM erfolgreich hergestellt werden. In beiden Fällen führt das funktionalisierte Pulver zu einer deutlich verbesserten Bauteilqualität.

Das Laser-Sintern gewinnt zunehmend an Bedeutung als Kleinserienfertigungsverfahren. In den meisten Fällen werden die Bauteile aus Polyamid 12 (PA 12) gefertigt. Alternative Materialien kommen aufgrund der schwierigeren Verarbeitung kaum zur Anwendung, obwohl sie teilweise bessere Bauteileigenschaften aufweisen. Andere Kunststoffe sind überhaupt nicht verfügbar. In beiden Fällen fehlt oftmals ein ausreichendes Prozessverständnis, um Bauteile mit optimalen Eigenschaften zu erzeugen oder neue Materialien für das Laser-Sintern zu qualifizie-ren. Im Rahmen der Versuche werden kommerzielle PA 11- und PA 12-Materialien sowie ein Polyethylen-Pulver hinsichtlich der Einstellung optimaler Verarbeitungsbedingungen untersucht. Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen dem Energieeintrag und wichtigen Bauteileigenschaften aufzustellen. Auf Basis der Versuchsergebnisse werden optimale Energiedichtefenster für die verschiedenen Materialien abgeleitet, innerhalb derer mit guten Eigenschaften gerechnet werden kann.

Powder ageing effects due to thermal load usually lead to a limited recyclability of unmolten polyamide 12 powders in the laser sintering process. In this work, the recycling optimized material PA 2221 is analyzed regarding its ageing behavior along a series of more than ten build/refresh cycles using a refresh ratio of about 30%. Thereby, the melt viscosity is measured before and after every cycle and the “steady-state” condition is determined accordingly. In addition, the material properties of parts manufactured with PA 2221 are discussed dependent on different process parameters and compared to parts made of standard PA 2200 material with a refresh rate of about 50%. These parameters include the mechanical properties as well as for example the impact strength and geometrical properties as function of layer thickness and testing temperature. As a result, the optimal process conditions and achievable material properties for PA 2221 can be derived from this work.

Additive Fertigungsverfahren weisen, bedingt durch den schichtweisen Aufbauprozess, viele Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren auf. Allerdings tritt bei laser-gesinterten Kunststoffbauteilen häufig ein Verzug der Bauteilgeometrie in unterschiedlichen Ausprägungen auf. Bedingt durch die Anlagenheizungssysteme entstehen Temperaturunterschiede im Bauteil, sodass Bereiche des Bauteils zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Prozesses oder in der anschließenden Abkühlung kristallisieren. Somit tritt die spezifische Volumenänderung während der Kristallisation ungleichmäßig ein, wodurch Bauteilverzug entsteht. Ziel der vorliegenden Untersuchungen war die Betrachtung des entstandenen Bauteilverzugs in Abhängigkeit von der Positionierung in der Baukammer, der Probekörpergeometrie und der Entnahmetemperatur des Pulverkuchens aus der Laser-Sinter-Anlage. Um die experimentellen Beobachtungen zu stützen, wurde der Kristallisationsverlauf mit einem FEM-Modell berechnet. Die Ergebnisse lassen auf einen Zusammenhang zwischen Ausprägungsrichtung des Verzugs und Kristallisationsverlauf schließen.

Additive Verfahren besitzen die Möglichkeit Bauteile direkt aus CAD-Datenmodellen ohne formgebende Werkzeuge zu generieren. Zur industriellen Etablierung von additiven Verfahren muss eine möglichst hohe Verfahrensintegration in einigen Branchen, wie der Elektronikindustrie, erzielt werden. Exemplarisch hierfür ist die Integration der etablierten Laserdirektstrukturierung (LDS) in den Prozess des selektiven Lasersinterns (SLS) mit der es möglich werden soll komplexe dreidimensionale Schaltungslayouts zu generieren. Möglich soll dies durch ein spezielles dem Kunststoff zugefügtes Wirkadditiv werden welches durch eine laserinduzierte Spaltung Metallkeime freilegt die wiederum in einem Metallisierungsbad zum entsprechenden Leiterbahnlayout heranwachsen. Da sich sowohl der Strahlschmelzprozess als auch der Strukturierungsprozess eines Lasers bedient besteht die Herausforderung darin eine Aktivierung des Additivs während der Bauteilfertigung zu verhindern. Durch die Kombination des selektiven Lasersinterns mit der nachgeschalteten Laserdirektstrukturierung ergibt sich ein komplexes Anforderungsprofil an pulverförmige Werkstoffe. Während für den Spritzguss diese Anforderungen an den Werkstoff bereits erforscht werden sind sie für die additive Fertigung von laserdirektstrukturierten Bauteilen unbekannt. Daher soll in diesem Beitrag die Grundlage für eine prinzipielle Machbarkeit der Laserdirektstrukturierung von lasergesinterten Bauteilen erbracht werden. Zur Analyse dieser Fragestellung wird in einem Versuch trockengemischtes PA12-LDS-Pulver zu Plattengeometrien verarbeitet. An diesen Platten wird eine Strukturierung mit einer Parameterstudie vorgenommen anhand derer sich erste Erkenntnisse über das Aktivierungsverhalten, anhand der Metallschichtdicke und des Metallisierungsindexes, von additiv hergestellten Bauteilen gewinnen lassen. Hierdurch kann eine erste Studie zur Umsetzbarkeit einer Prozessintegration von SLS und LDS angestellt werden.

Auf dem Gebiet der therapeutischen Behandlung von Patienten mit innenohrbedingter Taubheit stellen Cochlea-Implantate (CI) die einzige erfolgreiche und etablierte Behandlungsmethode dar. CI sind Neuroprothesen, deren Elektrode in die Scala tympani der Hörschnecke (Cochlea) des Innenohres implantiert wird. Das Membrangewebe wird mittels einer Vielzahl von in der CI-Elektrode integrierten Kontakten zur Erzeugung eines Höreindrucks elektrisch stimuliert. Bei Vorhandensein eines Resthörvermögens werden Cochlea-Implantate wegen des ho-hen Risikos der intraoperativen Ertaubung durch mechanische Traumatisierung der Hörschnecke nur selten eingesetzt. Der Erfolg dieses Eingriffs ist maßgeblich vom persönlichen Geschick und der Erfahrung des operierenden Arztes abhängig. Diese Limitation soll durch Integration additiv mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellter Mikroaktoren aus Nickel-Titan-Formgedächtnis-Legierung (NiTi-FGL), zur steuerbaren Deformation von CI-Elektroden, überwunden werden. Auf Basis der Ergebnisse einer CI-Insertions-Simulation ist im Rahmen dieser Arbeit die Realisierbarkeit der lokalen Konfiguration der mechanisch-funktionellen Eigenschaften von NiTi-FGL zu untersuchen. Abhängig von den Prozessparametern sind die mechanisch-funktionellen Materialeigenschaften der hergestellten Mikroaktoren reproduzierbar bzw. in Grenzen lokal einstellbar.

Obwohl der Laserstrahlschmelzprozess an sich robust ist, können gegenwärtig in den seltensten Fällen Betriebszeiten von 6.000 Stunden und mehr pro Jahr mit einer Strahlschmelzanlage realisiert werden. Daher ist der Druck seitens der Industrie enorm, die Prozessstabilität und damit die Betriebsstunden pro Jahr zu steigern. Als Ergebnis von mehreren Forschungsprojekten sowie eigenen Verbesserungen konnte mit geringem Aufwand die Anzahl der Prozessabbrüche bzw. der Bauteilfehler (z. B. kurzfristige auftretende hohe Porosität im Bauteil) signifikant reduziert werden. Die Maßnahmen und Empfehlungen betreffen unter ande-rem die Pulverlagerung und deren Überwachung, das Prozessgas von der Gaszuführung bis zur Filterung sowie die Überwachung von Prozessrandbedingungen. Im Beitrag werden die Veränderungen sowie Empfehlungen vorgestellt und deren Umsetzung an verschiedenen Anlagen präsentiert.

Mittels SLM hergestellte Bauteile weisen aufgrund der schichtweisen Herstellung aus pulverförmigem Material eine im Vergleich zu konventionell hergestellten Bauteilen große Oberflächenrauheit von Ra = 10-40 μm auf. Daher ist für viele Anwendungen eine aufwendige Nachbearbeitung zur Verbesserung der Oberflächenqualität notwendig. Ein alternatives Nachbearbeitungsverfahren von SLM-Oberflächen stellt das automatisierte Laserpolieren dar. Das Laserpolieren beruht auf dem Umschmelzen einer dünnen Randschicht und Glättung der Oberfläche infolge der Oberflächenspannung in der schmelzflüssigen Phase. Im Vergleich zu konventionellen Schleif- und Polierverfahren wird kein Material abgetragen sondern nur umverteilt. In dieser Veröffentlichung werden die ersten Ergebnisse zum Laserpolieren von mittels SLM hergestellten Oberflächen für die Werkstoffe Inconel 718 und ASTM F75 dargestellt. Durch Anpassung der Prozessparameter wird für Inconel 718 eine Rauheitsreduzierung von 99% erreicht, für den Werkstoff ASTM F75 kann die Rauheit um 97% reduziert werden.

Micro Cladding stellt eine Modifikation des klassischen Laserpulverauftragschweißens dar, um großflächig und flexibel Mikrostrukturen auf nahezu beliebigen Oberflächen aufbringen zu können [1][2]. Die Besonderheit des am Laserinstitut Hochschule Mittweida entwickelten Verfahrens sind dabei der Einsatz eines kurzgepulsten Faserlasers mit einer schnellen Strahlablenkung mittels Galvanometer-Scanner sowie die Ausbildung von Mikrostrukturen zur Speicherung des Pulvers [3][4][5]. Hierdurch kann die Laserstrahlenergie auch im Mikrobereich lokal begrenzt eingebracht und die Volumenbaurate gesteigert werden. Die Auflösung des Verfahrens liegt aktuell bei ca. 40 μm. Für mehr industrielle Relevanz wurden die Volumenbauraten durch Anwendung von Hochleistungslasern und schnellen Scannern auf bis zu 3.900 mm³/h deutlich erhöht. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden aufgezeigt und die Verfahrensgrenzen diskutiert.