Maschinen- und Verfahrensentwicklung zum laserunterstützten, großvolumigen Schmelzschichten

In den vergangenen Jahren hat sich im Bereich der additiven Fertigung auch das großvolumige Schmelzschichten kontinuierlich weiterentwickelt. Diese Technologie zeichnet sich durch leistungsfähige Extrudiersysteme mit hohen Austragsraten (>1,5 kg/h) und verhältnismäßig großen Düsendurchmessern (3 - 15 mm) aus. Obwohl das auf Granulat basierende Verfahren ein deutlich größeres Anwendungsspektrum hinsichtlich zu verarbeitender Kunststoffe bietet und zudem deutlich reduzierte Fertigungszeiten sowie die Herstellung wesentlich größerer Komponenten (>2 m³) ermöglicht, bringt es gleichzeitig neue Herausforderungen hinsichtlich der Herstellung von Bauteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften mit sich. Besonders der im Vergleich zum Filamentverfahren deutlich größere Düsendurchmesser und die daraus resultierende Stranggeometrie führen zu einer Skalierung des für die additive Materialextrusion charakteristischen Aufbaus der Bauteile. Dadurch treten technologiebedingte Merkmale (bspw. Treppenstufeneffekt, Hohlräume, etc.) deutlich prägnanter zum Vorschein. Die generierten Bauteile besitzen ein orthotropes Verhalten.
Die vorliegende Arbeit vermittelt ein umfassendes Prozessverständnis über das großvolumige Schmelzschichten und beschreibt die Entwicklung einer richtungsvariablen Lasertemperiereinheit, um den additiven Prozess und die Lasermaterialbearbeitung zu kombinieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen dabei die Werkstoffe PMMA (Polymethylmethacrylat) und SAN (Styrol-Acrylnitril).
Die Entwicklung eines umfangreichen Prozessmodells ermöglicht es Bauteile unter Berücksichtigung von Stranggeometrie, Abkühlverhalten sowie Schichtverbindungsqualität reproduzierbar herstellen zu können. Die Untersuchungen zeigen, dass mittels großvolumigem Schmelzschichtens hergestellte Bauteile deutlich bessere Festigkeitseigenschaften als Bauteile filamentbasierter Verfahren aufweisen. Dies äußert sich besonders im Zwischenlagenverbund entlang der Aufbaurichtung.
Durch die gezielte Einbringung von Wärmeenergie mittels Infrarotstrahlung in den additiven Herstellungsprozess können sowohl die Kontaktzone zwischen aufeinander geschichteten Strängen vergrößert, als auch verfahrensbedingte Hohlräume um bis zu 57 % reduziert werden. Die Erhöhung der Biegefestigkeit, die Verminderung der Kerbwirkung zwischen den Einzelschichten sowie eine dichtere Strangablage führen zu einer Annäherung an isotrope Bauteileigenschaften.
Um den laserbasierten Temperiervorgang entsprechend des Extrusionspfades nachzuführen, wird unter Anwendung des Konstruktiven Entwicklungsprozesses eine richtungsvariable Lasertemperierung entwickelt und erprobt. Dadurch gelingt es den Lasertemperierprozess auch für komplexe Bauteilgeometrien zu optimieren. Die mechanischen Bauteileigenschaften erfahren hierdurch eine deutliche Verbesserung. Besonders im Hinblick auf die laterale Stranganbindung ist, im Vergleich zum großvolumigen Schmelzschichtprozess ohne Verwendung eines Lasersystems, eine Steigerung der Biegefestigkeit um das bis zu 8,6-fache zu verzeichnen.

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM) has been under constant improvement in recent years. This technology is characterized by high-performance extrusion systems with high discharge rates (>1.5 kg/h) and relatively large die diameters (3 - 15 mm). Although the granule-based process offers a significantly wider range of applications in terms of plastics to be processed and enables significantly reduced production times as well as the manufacture of much larger components (>2 m³). It also brings new challenges with regard to the production of components with improved mechanical properties. Due to the significantly larger die diameter compared to the filament process and the resulting strand geometry the component structure characteristic of extrusion processes is also scaled up. Thus technology-related features (e.g. stair-step effect, cavities, etc.) become much more apparent. The generated components have an orthotropic behavior.
The present work provides a comprehensive understanding of the large-scale manufacturing process and describes the development of a laser beam deflection system for laser assisted, additive manufacturing of large-scale parts. The focus of the investigations is on the materials PMMA (polymethyl methacrylate) and SAN (styrene acrylonitrile).
The development of a comprehensive process model makes it possible to manufacture components reproducibly, taking into account strand geometry, cooling behavior and layer bonding quality. The investigations show that components produced by means of LSAM have significantly better strength properties than components produced by filament-based processes. This is particularly evident in the interlayer bond along the build-up direction.
The targeted introduction of thermal energy by infrared radiation into the additive manufacturing process, both the contact zone between strands layered on top of each other can be increased and process-related voids reduced by up to 57 %. Higher bending forces, reduced notch effect as well as denser strand deposition lead to an approximation of isotropic part properties.
In order to track the laser-based tempering process according to the extrusion path, a directionally variable laser tempering unit is being developed and tested, taking into account the design development process. Thus, laser beam tempering can be applied to complex geometries as well. Mechanical part properties are significantly improved. Particularly with regard to inter-strand-bonding, there is an increase in flexural strength of up to 8.6 times compared to Large Scale Additive Manufacturing without the use of a laser system.