GFB - Green Factory BAVARIA

Ressourceneffiziente pulver- und Strahlbasierte Additive Fertigung

Zielsetzung

Das additive Fertigungsverfahren des selektiven Laserstrahlschmelzens von Kunststoffen (SLS) ermöglicht die werkzeuglose Herstellung von Prototypen und Funktionsbauteilen. Derzeitig ist die Serienproduktion mittels selektivem Laserstrahlschmelzen hinsichtlich Werkstoff- und Energieeffizienz u. a. durch einen erhöhten Teileausschuss, insbesondere begründet in der Nichteinhaltung von Maß-, Form- und Lagetoleranzen, limitiert. Das Ziel des Teilprojektes „ReSAF“ ist es die Wirkbeziehungen zwischen Basisformelementen der Bauteilkonstruktion und deren Auswirkungen auf die Bauteilmaßhaltigkeit grundlegend zu untersuchen. Darüber hinaus sollen offenliegende Potentiale für eine energie- und werkstoffeffizientere Fertigung von SLS-Bauteilen ermittelt werden, um den prinzipiell ökologisch günstigen SLS-Prozess für die Serienproduktion zu optimieren.



Lösungsansätze

Die Ressourceneffizienz des SLS-Prozesses wird maßgeblich durch die Baujoblänge und durch anfallenden Ausschuss u. a. als Folge von Maßabweichungen beeinflusst. Um die Baujoblänge positiv zu beeinflussen wird der Einsatz verkürzter Scanweglängen untersucht. Maßabweichungen treten unter anderem als Folge von Schwindung auf und werden anhand von definierten Massenanhäufungen analysiert. Der Einsatz von 3D-Strukturen ermöglicht sowohl eine verkürzte Scanweglänge, sowie die Reduktion von Massenanhäufungen. Aus diesem Grund werden Würfelprobekörper mit unterschiedlichen Geometriemerkmalen, Positionierungen und Skalierungen im SLS-Verfahren gefertigt. Zu diesem Zweck stellt die Firma EOS GmbH ein vollständiges Anlagensystem mit einer Formiga P110 zur Verfügung. Hierbei wird der Prozess hinsichtlich Ressourceneffizienz und die Bauteile hinsichtlich der erzielten Bauteilmaßhaltigkeit analysiert. Die 3D-Struktur wird mit der von der Firma netfabb GmbH zur Verfügung gestellten, gleichnamigen Software erstellt und auf die Probekörpergeometrie angewendet. Für die Analyse der Maßhaltigkeit wird ein, den Würfelprobekörper umschließendes Raster mit jeweils 5 x 5 Messpunkten pro Seite eingesetzt. Zusätzlich wird die Maßhaltigkeit nach dem Prinzip der Streifenprojektion vom Projektpartner BMW AG, München ermittelt. Eine Gegenüberstellung des selektiven Laserstrahl-schmelzprozesses mit dem Spritzgießen von Kunststoffen hinsichtlich energetischer und werkstofflicher Aspekte schließt die Ökobilanzierung ab. Nachfolgend werden Untersuchungen zur Maßhaltigkeit und Energiebilanz dargestellt.



Ergebnisse

Die Maßhaltigkeit der Würfelprobekörper hängt entscheidend vom jeweiligen Geometriemerkmal ab. Unterschieden wird zwischen dem Geometriemerkmalen ‚Vollkörper‘, ‚Hohlkörper‘ und ‚3D-Struktur‘. Im Vergleich zum ‚Vollkörper‘ zeigt die ‚3D-Struktur‘ eine höhere Maßhaltigkeit bei gleichzeitig geringerer Varianz, Abbildung 1, welche die die quadratische Standardabweichung vom Sollwert kennzeichnet. Zusätzlich ist die Maßhaltigkeit von der Orientierung der einzelnen Würfelflächen im Bauraum abhängig. So konnte gezeigt werden, dass sich die größten Maßabweichungen in Folge von Ausbeulungen an der Ober- und Unterseite der Würfelprobekörper befinden, Abbildung 2. Die für die Fertigung der Probekörper benötigte Prozessenergie ist proportional zur Prozesszeit und kann bei Verwendung der ‚3D-Struktur‘ im Vergleich zum ‚Vollkörper‘ um 25 % gesenkt werden, Abbildung 3. Die gefertigten Probekörper mit ‚3D-Struktur‘ benötigen durchschnittlich 31 Gew.% weniger Pulvermaterial und zeigen eine um 0,95 Gew.% reduzierte Pulveranhaftung im Vergleich zum Geometriemerkmal ‚Vollkörper‘. Neben einem reduzierten Materialverbrauch kann das Ersetzen von Vollmaterial durch 3D-Strukturen die notwendige Prozesszeit und -energie sowie den Nachbearbeitungsaufwand maßgeblich reduzieren.



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  Dipl.-Ing. Martin Launhardt

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  Lehrstuhl für Kunststofftechnik
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