Laumann, Daniel (2024)
Untersuchung der Bauteilhaftung in der Fused Filament Fabrication.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026645
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Fused Filament Fabrication (FFF) spielt eine immer wichtigere Rolle in der Industrie und ist mittlerweile in zahlreichen Branchen ein etabliertes Verfahren. Dennoch treten vor allem bei der Verarbeitung von Hochleistungspolymeren immer noch Prozessfehler wie ein ungewolltes Ablösen des zu fertigenden Bauteils von der Bauplattform auf. Solche Prozessfehler werden durch eine mangelnde Adhäsion zwischen Bauteil und Bauplattform verursacht. Obwohl Adhäsion eine zentrale Bedeutung im FFF-Prozess spielt, erfolgte bisher kaum eine wissenschaftliche Betrachtung dieses Aspekts. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Dissertation grundlegende Zusammenhänge im FFF-Prozess untersucht. Um die auftretenden Adhäsionskräfte quantifizieren zu können wurde zuerst ein auf DIN EN 28510-1 basierendes Messverfahren entwickelt und ein entsprechender Prüfstand aufgebaut. Mit diesem Messverfahren wurden verschiedene Parameter identifiziert, die die Adhäsion im FFF-Prozess beeinflussen. Dazu zählt das Material der Bauplattform, die Verarbeitungstemperaturen, die Druckgeschwindigkeit sowie die Dicke der ersten Schicht, der Feuchtegehalt des Druckmaterials und die Kontaktzeit. Zwischen diesen Einflussgrößen bestehen Wechselwirkungen. Dies bedeutet, dass das Verändern einer Größe den Zusammenhang zwischen der Bauteiladhäsion und einer zweiten Größe ändert. So kann eine Steigerung der Düsentemperatur um 40 °C eine Änderung der gemessenen Adhäsionskraft um rund 100 N bewirken. Wird die selbe Messreihe aber auf einem anderen Bauplattformmaterial oder bei einer anderen Düsentemperatur wiederholt, zeigt eine Steigerung der Düsentemperatur praktisch keine Wirkung mehr. Das Identifizieren und Charakterisieren solcher Wechselwirkungen zwischen den oben aufgelisteten Einflussgrößen ist ebenfalls Gegenstand dieser Arbeit. Die Kenntnisse, welche Prozessparameter eine Rolle spielen und wie diese miteinander zusammenhängen, werden zu einer Klassifizierung und einem Ranking zusammengeführt. Dies erlaubt Anwendern eine gezielte Verbesserung der Prozessparameter im Falle einer zu geringen Adhäsion. Durch die gewonnenen Erkenntnisse können auch Rückschlüsse auf die wirkenden Adhäsionsmechanismen gezogen werden: Für die Adhäsion zwischen Borosilikatglas und Pertinax als Bauplattformmaterial und dem verdruckten Material wird vorgeschlagen, dass Wasserstoffbrückenbindungen eine zentrale Rolle spielen. Wird hingegen Messing als Bauplattformmaterial genutzt, deuten die Ergebnisse dieser Dissertation auf eine Ionenbindung hin. Diese entsteht nach einer chemischen Reaktion der auf der Messingoberfläche befindlichen Oxide und funktionellen Gruppen des zu verdruckenden Kunststoffs. Mit diesen neuen Erkenntnissen können Anwender nun je nach zu verdruckendem Material eine optimales Bauplattformmaterial auswählen ohne zuvor die Eignung in Parameterstudien untersuchen zu müssen.

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