Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen als Grundvoraussetzung für eine robuste Prozessführung beim Laser-Sintern von Thermoplasten
Additive Fertigungsverfahren – und hierunter insbesondere das Laser-Sintern von Kunststoffen – gewinnen eine immer größere Bedeutung als Fertigungsverfahren für kleine bis mittlere Serien. Neben der wirtschaftlichen Anwendung für Kleinserien bietet das Laser-Sintern eine weit über die Möglichkeiten konventioneller Verfahren hinausgehende Designfreiheit, welche neue innovative hochintegrierte Lösungen ermöglicht.
Trotz der vielfältigen Potentiale bestehen heutzutage jedoch noch zahlreiche ungelöste Problemstellungen, welche einem uneingeschränkten Einsatz des Laser-Sinterns als Produktionsverfahren entgegenstehen. Insbesondere kann bis heute keine ausreichende Reproduzierbarkeit der Bauteileigenschaften gewährleistet werden. Ursache dafür ist eine Vielzahl unzureichend verstandener Effekte, welche während des Herstellungsprozesses auftreten. Hierzu zählt insbesondere der für das Laser-Sintern maßgebliche Prozessschritt: Das Aufschmelzen des Pulvers durch den Laserenergieeintrag. Die bei der Laser-Pulver-Wechselwirkung entstehenden Temperatur-Zeit-Profile bestimmen maßgeblich die entstehenden Bauteile, sind aber nach heutigem Stand kaum erforscht.
Die vorliegende Arbeit greift diese Problemstellungen auf, um durch die Erlangung eines tiefgehenden Prozessverständnisses Lösungen bzw. neue Lösungsansätze für diese Themenfelder zu schaffen. Ausgehend von einem systematischen Ansatz werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozesseinflussgrößen sowie Störgrößen einerseits und maßgeblichen Bauteileigenschaften andererseits ermittelt. Auf Basis der aufgestellten Zusammenhänge und Korrelationsmodelle werden eine Optimierung der Prozessführung sowie die Identifizierung robuster Parameterbereiche ermöglicht. In diesem Zusammenhang findet erstmals eine detaillierte Analyse von Einflüssen unterschiedlicher Störgrößen, insbesondere der Scanvektorlänge, der Bauteilorientierung, der inhomogenen Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche, der Materialqualität sowie der Schichtzeit, auf die Bauteileigenschaften statt. Gleichzeitig werden erstmals grundlegend die Einflüsse auf die Form- und Maßhaltigkeit lasergesinterter Bauteile untersucht.
In einem zweiten Schritt wird die Laser-Pulver-Wechselwirkung mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Thermografie umfassend charakterisiert. So werden erstmals mit einem abgesicherten Versuchsaufbau die entscheidenden Temperaturverläufe beim Aufschmelzen des Pulvers in Abhängigkeit der Energieeinbringung gemessen. Auf dieser Basis werden grundlegende Korrelationen zwischen Prozessparametern und gemessenen Schmelzetemperaturen sowie daraus abgeleitet Zusammenhänge zwischen Schmelzetemperaturen und Bauteileigenschaften aufgestellt. Hierbei kann ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Temperaturverlauf und der Bauteilqualität nachgewiesen werden.
Diese grundlegenden Erkenntnisse werden zu einer neuen Prozesstheorie der „Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen beim Laser-Sintern“ zusammengefasst. Erst deren Erfüllung bildet die Grundvoraussetzung zur Einstellung einer robusten und reproduzierbaren Prozessführung.
Des Weiteren zeigen die ermittelten Ergebnisse, dass Anlagenweiterentwicklungen dringend erforderlich sind, um die Reproduzierbarkeit auf ein für eine Serienfertigung geeignetes Maß zu steigern.
Additive manufacturing techniques and especially the laser sintering of plastics win more and more importance as a series production technique for small and medium batch series. Compared to conventional production techniques, laser sintering offers the achievement of significantly greater flexibility in design and at the same time a good cost-effectiveness for small batches. Therefore, new innovative and highly integrated solutions become possible. Despite the manifold potentials, several unsolved problems still exist and prevent the unrestricted use of laser sintering as production technique until today. One problem is the lacking reproducibility of part properties which is caused by various insufficient understood effects. One of these is the decisive process step in laser sintering: the melting of the powder caused by the laser energy input. The temperature-time profiles emerging form the laser-powder interaction significantly determine the generation of the parts. However, these processes are hardly analysed yet.
The following thesis picks up on these problems in order to generate new solutions or solution approaches for these topics by establishing a profound understanding of the process. Fundamental correlations between process influencing factors, noise factors and relevant part properties are determined by using a systematic approach. Based on these established correlations and correlation models, an optimization of the processing conditions as well as an identification of robust parameter ranges becomes possible. For the first time the influences of different noise factors on the part properties are analysed in detail. In particular, the scan vector length, the part orientation, the inhomogeneous temperature distribution on the powder bed surface, the material quality and the layer time are considered. At the same time, the influences on dimensional and form accuracy of laser sintered parts are studied fundamentally for the first time.
In a second step, the laser-powder interaction is characterised in detail by using high-speed thermal imaging. Therefore, the decisive temperature profiles during the melting of the powder are initially measured depending on the energy input using a verified experimental setup. Fundamental correlations between process parameters and measured melt temperatures can be established based on these measurements. In addition to that, a significant correlation between the measured temperature profile and the part quality can be confirmed in this context.
Furthermore, the ascertained fundamental knowledge is summarized to a new process theory named “Theory on the Continuation of Melting Processes in Laser Sintering”. The fulfilment of this theory is the basic requirement for establishing robust processing conditions.
Furthermore, the established results prove that further developments of the machine equipment are urgently necessary in order to improve reproducibility to a degree adequate for series production.
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