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Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
16.03.2017
Dr. Jens Schlimbach
+49 (0) 631 2017-312
Thermoplastischer 3D-Druck mit kontinuierlicher
Faserverstärkung
1 © Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Matthias Domm, Dr. Jens Schlimbach
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Einleitung
Motivation
2 © Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Matthias Domm, Dr. Jens Schlimbach
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Einleitung
Motivation
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Additive Fertigung mit Kunststoffen Tapelegen von Faserkunststoffverbunden
Komplexe Geometrien
Niedrige Festigkeiten
Nur flache Strukturen
Hochfeste Strukturen
Komplexen und hochfesten Strukturen
Source: https://www.germanreprap.com
Vorteile für die Produktion Hoher Individualisierungsgrad
Hohe Flexibilität
Ressourcenschonend
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Einleitung
Zielsetzung
• Erhöhung der mechanischen Eigenschaften 3D-gedruckter
Kunststoffe
• Entwicklung eines additiven Fertigungsverfahrens für
kontinuierliche faserverstärkte Kunststoffe (FKV)
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Klassifizieren von additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe:
• Strahlenhärtend
• Sinter / Binder
• Extrusion
flüssig
pulverförmig
kontinuierliche Stränge
Einleitung
Auswahl eines geeigneten Verfahrens
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Fused Deposition Modeling (FDM)
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Einleitung
Versuchsaufbau
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1. Beheizbares Druckbett
2. Druckkopf
3. x / y - Achse
4. Schrittmotoren
5. z - Achse (Gewindespindeln)
6. SD Kartenleser und Bedienfeld
7. Extrusionsdüse
8. Förderrollen
9. Heiz-Pin
10. Klemmblock
11. Ventilator
German RepRap X400 FDM-Drucker:
Source: https://www.germanreprap.com
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Anlagentechnik
Entwicklungen
• Extrusionsprozess:
• Integration der kontinuierlichen Faserverstärkung
• Temperaturführung
Entwicklung eines Hot-Ends
• Diskontinuierliches Ablegen:
• Die kontinuierliche Faserverstärkung erfordert eine
Schneideinheit, um diskontinuierliches Ablegen zu
ermöglichen.
• Halbzeug und Bauteilqualität
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Anlagentechnik
Integration der kontinuierlichen Fasern
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Temperaturmanagement
Motivation
Temperatur kritischster Prozessparameter:
• Temperaturführung in der Düse
• Ausreichende Erwärmung zur Aufschmelzung und Förderung
des Materials
• Temperaturführung außerhalb der Düse
• Mindest-Erstarrungslänge für Umformung des Materials
• Max. Erstarrungslänge für Stabilität der Struktur
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Entwicklung eines thermischen Simulationstools zur Analyse des
Temperaturverlaufs
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Out-of-plane
• Verstärkungswirkung kontinuierlicher Fasern
hängt stark vom Winkel zwischen Belastungs-
und Faserrichtung ab. Quer zur Faserrichtung
können lediglich ein Zehntel der Steifigkeiten
und Festigkeiten als längs zur Faserrichtung
erreicht werden.
• Klassische additive Fertigungsverfahren setzen
ein Bauteil schichtweise zusammen.
• Faserausrichtung nur in der Druckebene
möglich.
• Belastungsgerechte Verstärkung erfordert eine
Ablage in alle Raumrichtungen (Freiformen).
• Um beim Freiformen ein Zusammenfallen der
gedruckten Struktur zu verhindern, ist die
Entwicklung einer Kühleinheit erforderlich.
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• Entwicklung einer thermische Simulation mit COMSOL
• Integration eines CAD Modells und Definition der
Wärmeübergänge
• Strangmaterial Vertikaler Zylinder
• Erwärmung: Wärmeleitung
• Abkühlung: Konvektion + Strahlung
– Ohne aktive Kühlung: Freie Konvektion
– Mit aktiver Kühlung: Erzwungene Konvektion
• Wichtige Materialgrößen:
– Wärmeleitfähigkeit
– Wärmekapazität
– Emissionsgrad
– Wärmeübergangskoeffizient
Thermische Simulation
Entwicklung
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Temperaturabhängig
Geometrieabhängig
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Analyse des Abkühlverhaltens
Abkühlkriterium
• Bedingungen:
• Verarbeitung des Materials bei 210 °C (50°C Ts)
• Erstarrung des Materials bei 160°C
• Kriterium: max. Dehnung von 1 %
• DMTA-Versuche
• Berechnung der minimalen Erstarrungslänge
über die Biegespannung
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𝐿0,𝑚𝑎𝑥 =𝜎𝑏 ∙ 𝜋 ∙ 𝐷
3
𝑆𝐹 ∙ 64 ∙ 𝑞= 11 mm
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Einfluss der Prozessgeschwindigkeit und Art der Kühlung auf die
Erstarrungslänge:
Analyse des Abkühlverhaltens
Abkühlverhalten
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166
2 4 6,5 13 26 38
Simulation – Cooling of the extruded Filament
Different Process Speeds; natural and forced (v=105 m/s) Convection
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Analyse des Abkühlverhaltens
Abkühlverhalten
Untersuchung des Einflusses der Strömungsgeschwindigkeit auf die
Erstarrungslänge mittels thermischer Simulation
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Standard-Hotend des X400 3D-Druckers:
Anlagentechnik
Hotend
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Aufbau Schnitt durch Druckdüse
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• Isolierter Heizdraht
Höhere und homogenere Heizleistung
• Zusätzliche Isolierhülsen
Geringerer Wärmeverlust
• Integration des Thermistors in die Druckdüse
Verbesserte Temperaturregelung
Anlagentechnik
Hotend - Neuentwicklung
16 © Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Matthias Domm, Dr. Jens Schlimbach
PEEK-Schraube
Adapterbuchse
PEEK-Mutter
Heizdraht
Thermistor-
bohrung
Düse
PEEK-Isolierung
Isolierung
Überwurfmutter
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Weiterentwicklung Anlagentechnik
Kühlsystem
Luftkühlung: Konzeptionierung und Bewertung verschiedener Systeme
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Weiterentwicklung Anlagentechnik
Kühlsystem
18 © Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Matthias Domm, Dr. Jens Schlimbach
Kühldüsen
Druckluft-
ventil
Druckluft-
schlauch
Kühldüsen-
Halterung
Befesti-
gungsplatte
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Anlagentechnik
Schneideinheit
19 © Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Matthias Domm, Dr. Jens Schlimbach
Testen verschiedener Schneidkonzepte
2 Klingensysteme Klinge-Matrix-System
Quetschschnitt Scherenschnitt Mit Niederhalter Ohne Niederhalter
Pneumatikzylinder
Matrize
Cutterklinge
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Anlagentechnik
Schneideinheit
20 © Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Matthias Domm, Dr. Jens Schlimbach
Testen verschiedener Schneidkonzepte
2 Klingensysteme Klinge-Matrix-System
Quetschschnitt Scherenschnitt Mit Niederhalter Ohne Niederhalter
Matrix
erstarrt
Matrix
schmelzflüssig
Matrix
erstarrt
Matrix
schmelzflüssig
Matrix
erstarrt
Matrix
schmelzflüssig
Matrix
schmelzflüssig
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Anlagentechnik
Schneideinheit
Trennen des Halbzeugstrangs im schmelzflüssigen Zustand:
• Klinge-Matrizen-System
• Festhalten des Strangmaterials über einen Niederhalter
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Anlagentechnik
Schneideinheit
Geringe Störkontur für große Ablegefreiheit
• Möglichst geringe Abmaße
• Schneiden bewegen sich auf einem Radius
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Validierung
Inbetriebnahme
Herstellung eines freigeformten Demonstrators:
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Video Freiform
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Analyse Bauteilqualität
Motivation
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Bauteilqualität • Imprägnierqualität
• Faserlage
• Verbindung der Stränge
(Konsolidierung)
• Oberflächenqualität
• Mechanische Eigenschaften
Prozessparameter • Druckgeschwindigkeit
• Drucktemperatur
• Z-Achsen Offset
• Bahnabstand
Ablegeparameter • Ablage auf Druckbett
bzw. Freiformen
• Ablage nebeneinander
bzw. übereinander
• Kühlung
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• Vorimprägnierter Halbzeugstrang (LFT-Halbzeug)
• Polymer: Polypropylen
• Reinforcement: Glasfasern
• Durchmesser: 1.7 – 2.5 mm
• Schmelztemperatur: 166 °C
• Faservolumengehalt: 30 %
• Ø Porengehalt: 9.2 %
Ausgangsmaterial
Charakterisierung
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Analyse Extrusionsprozess
Nachimprägnierung
Einfluss der Extrusionsgeschwindigkeit auf den Porengehalt:
Höhere Prozessgeschwindigkeit = geringere Qualität 26
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Einfluss Prozessparameter
Z-Achsen Offset
Untersuchung des Einflusses des Z-Achsen Offsets auf die Bauteilqualität
Durchführung von Biegeversuchen:
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Einfluss Prozessparameter
Z-Achsen Offset
Untersuchung des Einflusses des Z-Achsen-Offsets auf die Bauteilqualität
Schliffbilder:
Minimaler z-Achsen-Offset erreicht gute Laminatqualität
Konzept nachgewiesen
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Zusammenfassung
• Die kontinuierliche Faserverstärkung konnte erfolgreich uin
den 3D-Druck-Prozess integriert werden
• Die Temperaturführung wurde mittels Simulation ermittelt
und validiert
• Diskontinuierliches Ablegen in den Raum ist möglich
• Es können gute Laminatqualitäten mit sehr günstigen
Halbzeugen erreicht werden
Die Anlagentechnik zum 3D-Druck mit kontinuierlicher
Faserverstärkung ist erfolgreich umgesetzt
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Ausstehende Forschungsarbeiten
Gegenstand aktueller und zukünftiger Forschungsarbeiten:
• Höhere Prozessgeschwindigkeit: Entwicklung einer Vorheizstrecke
• Größere Ablegefreiheit: Position der Schneideinheit prüfen
• Höhere Prozessstabilität: Optimierung der Fördereinheit
• Optimierung der Halbzeuge
• Qualifizierung von neuen Materialien: Q.I.T.S.
• Übertragung der Technologie auf Roboter
• Wirtschaftliche Betrachtung des Verfahrens gegenüber
Referenzverfahren
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