Nienhaus, Vinzenz (2021)
Untersuchung und Modellierung von Kunststoffextrusionssystemen in der Fused Filament Fabrication.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017756
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Fused Filament Fabrication (FFF, Markenname FDM) ist ein allgegenwärtiges additives Fertigungsverfahren, befindet sich jedoch industriell im Stadium der Erprobung und es fehlen wissenschaftliche Erkenntnisse über den Prozess. Dies hat besondere Bedeutung für den wachsenden Markt 3D-gedruckter Medizinprodukte, zum Beispiel Implantate aus PEEK oder resorbierbare Mikrostrukturen zur Osseointegration und zum Tissue Engineering. Die vorliegende Arbeit untersucht grundlegende Zusammenhänge von Filamentantrieb und Aufschmelzsystem durch Variation der signifikanten Einflussparameter unter Einbeziehung aktueller Extrusionssystemdesigns. Das Ergebnis ist ein Closed-Loop-Modell zur sensorlosen Schlupfkompensation des Extrusionssystems. Es wurde ein Vergleich unterschiedlicher Filamentantriebe durchgeführt und Radantriebe zur Untersuchung ausgewählt. Die maximale Filamentvorschubkraft und der vorschubkraftabhängige Schlupf sind abhängig von der Andruckkraft der Räder. Die maximale Filamentvorschubkraft steigt bis zu einem Sättigungsbereich, der durch ein Eindringmodell der Antriebsradzähne erklärt werden konnte. Der Schlupf ist linear abhängig von der Filamentvorschubkraft, der neu definierten Schlupfsteigung, und die Schlupfsteigung reziprok quadratisch abhängig von Andruckkraft, die nachweislich mit grundlegenden Modellen aus der analytischen Kontaktmechanik zusammenhängt. Der zusätzliche Einfluss der Filamentvorschubgeschwindigkeit ist mit einem viskoelastischen Materialmodell erklärbar. Die Ergebnisse zeigen Ähnlichkeiten zwischen PLA, PA und PET-G als Filamentmaterial, wobei PA und PET-G anfällig für Knicken sind. Das Aufschmelzsystem wurde zuvor in analytischen Modellen beschrieben, aber es fehlten umfassende empirische Daten mit einer Übersicht der Einflussparameter und einer Prozessbeschreibung. Es wurde ein Arbeitsbereich des Aufschmelzsystems auf Basis der Prozesskräfte, die zur Extrusion des Kunststoffes notwendig sind, beschrieben. Eine Péclet-Zahl für den Wärmeübergang erklärt die Kraftüberhöhung bei niedrigen Filamentvorschubgeschwindigkeiten. Es existiert eine zuverlässige Extrusion im mittleren und Schmelzeinstabilitäten im hohen Filamentvorschubgeschwindigkeitsbereich. Das Material der Düse und des Einlaufwinkels haben keinen dominierenden Einfluss auf die resultierenden Prozesskräfte. Mehrkanal oder abgestufte Geometrien verringern die Prozesskräfte, aber weisen ausgeprägte Schmelzeinstabilitäten auf. Zusammen mit Schmelzeinstabilitäten tritt auch eine signifikante Schwellung auf. Diese steigert den extrudierten Strangdurchmesser auf bis das 2,8-fache des Kapillardurchmessers über die Filamentvorschubgeschwindigkeit und stellt eine Schwierigkeit für die Herstellung von präzisen Bauteilen dar. Wird das Kennfeld der Prozesskraft des Aufschmelzsystems mit der Schlupfcharakteristik des Filamentantriebs kombiniert, lässt sich eine sensorlose Kompensation des Schlupfes durchführen. Dies wurde am Beispiel eines modifizierten Prusa i3 MK3S mit einem Nachbearbeitungsskript für den Slicer Cura 4.6.0 durchgeführt.

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