Entwicklung einer Methode zur Bestimmung des maximalen Füllstoffvolumenanteils und Analyse der gefüllten PA12-Systeme im Laser-Sintern

Die Additive Fertigung (AF) bezeichnet die schichtweise Herstellung physischer Objekte direkt aus einem 3D-Model. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von AF-Verfahren werden diese zunehmend für verschiedene Anwendungen genutzt. Insbesondere hat sich das in dieser Arbeit verwendete AF-Verfahren des Laser-Sinterns (LS) in der Industrie etabliert. Beim LS werden Bauteile Schicht für Schicht aus pulverförmigen thermoplastischen Kunststoffen hergestellt. Diese werden mittels eines Lasers lokal aufgeschmolzen und so schichtweise verfestigt. Jedoch reichen die Eigenschaften reiner Kunststoffe nicht für alle Anwendungen aus, insbesondere dort, wo die Anforderungen an die Festigkeit, die Temperaturbeständigkeit oder die chemische Beständigkeit höher sind. Deshalb werden sie gezielt durch Füllstoffzugabe erweitert.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um die maximal zulässige Füllstoffmenge für die Anwendung im LS zu bestimmen. Im Gegensatz zur bisher verwendeten „Trial & Error“-Methode ermöglicht diese die Bestimmung der passenden Füllstoffmenge für die LS-Anwendung noch vor der eigentlichen Versuchsdurchführung. Die Methode wurde anhand verschiedener gefüllter Kunststoffsysteme im LS getestet und validiert. Dazu wurde PA12 mit Füllstoffen wie Mineralen, Glas oder Aluminium gefüllt. Alle aufbereiteten Mischungen wurden zunächst auf ihre Pulver- und Schmelzfließfähigkeit untersucht und somit auf ihre Eignung für das LS bewertet. Anhand des Pulververhaltens im unmittelbaren LS-Prozess wurden Einflüsse sowohl von prozessspezifischen Parametern als auch von Füllstoffen auf den LS-Verlauf beurteilt. Die qualitative Aussage über die erprobte neuartige Methode zur Bestimmung des Füllstoffanteils sowie über die untersuchten Prozessparameter, die Füllstoffart und seinen Anteil, konnte anhand der Untersuchungen der Festkörperdichte, der Zugeigenschaften und der Form- und Maßhaltigkeit getroffen werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Methode zur Bestimmung des maximal zulässigen Füllstoffanteils für die Anwendung im LS geeignet ist. Die Pulvermischungen mit den gemäß dieser Methode bestimmten und untersuchten Füllstoffanteile wiesen ausreichende Pulver- und Schmelzfließeigenschaften auf. Darüber hinaus konnten dichte Bauteile mit erhöhter Belastbarkeit unter Anwendung dieser Methode hergestellt werden. Eine Ausnahme bildeten lediglich die Füllstoffe, die die thermischen und optischen Eigenschaften der Gesamtmischung stark veränderten und dadurch die Verarbeitung im LS-Prozess vollständig beeinträchtigten.

Additive manufacturing (AM) refers to the production of physical objects layer by layer directly from their 3D models. With the continuous development of AM processes, they are increasingly being used across various fields of application. Particularly, laser sintering (LS) stands out as the most prominent AM process for industrial applications. In LS, parts are built layer by layer from thermoplastic polymers in powder form. Using a laser, these polymers are locally melted within the LS process and then solidified layer by layer. However, the properties of pure plastics may not always suffice depending on the application. Therefore, their properties can be specifically enhanced by incorporating fillers.

In the present work, a method for defining the maximum acceptable filler quantity was developed for use in LS. In contrast to the widely used "trial & error" method, it enables the determination of the appropriate filler quantity for the LS application even before tests are conducted. The method was tested and validated using various filled plastic systems in LS. To conduct these tests, PA12 was filled with additives such as minerals, glass, or aluminum. All prepared compounds underwent initial assessment of powder and melt flowability, as well as thermal characteristics. Subsequently, the processing in LS was evaluated with regard to the powder behavior and the influence of process parameters. The qualitative statement of the innovative method for determining filler content, along with the tested process parameters, filler type, and quantity, was based on analyses of the density, tensile properties, and the shape and dimensional accuracy of the manufactured parts.

The results indicate that the developed innovative method for defining the maximum acceptable amount of filler is suitable for application in LS. Powder compounds with filler amounts determined and investigated using this method demonstrated adequate powder and melt flow properties for LS. Furthermore, dense parts with increased stiffness were manufactured via LS using this method. The only exception was observed with fillers that significantly altered the thermal and optical properties of the overall compound, thereby completely affecting the processing in LS.

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