Kritische Bewertung der mechanischen Prüfung und Charakterisierung additiv gefertigter Kunststoffe

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URI: http://hdl.handle.net/10900/125616
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-1256162
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-66979
Dokumentart: Dissertation
Date: 2022-03-28
Language: German
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Geographie, Geoökologie, Geowissenschaft
Advisor: Berthold, Christoph (Dr.)
Day of Oral Examination: 2022-02-24
DDC Classifikation: 500 - Natural sciences and mathematics
Other Keywords: Mechanische Eigenschaften
Additive Fertigung
Materialcharakterisierung
License: Publishing license excluding print on demand
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Inhaltszusammenfassung:

 
Dissertation ist gesperrt bis 24.02.2024!
 
Dank der im Vergleich zu konventionellen Herstellungsmethoden einzigartigen Möglichkeit, komplexe dreidimensionale Objekte an einem Stück zu fertigen, erfuhr der 3D-Druck in den letzten Jahren einen regelrechten Hype und viele Produktdesigns wurden neu durchdacht, um die dazugekommenen Designfreiheiten nutzen zu können. Dieser Trend findet dabei in nahezu allen Bereichen statt, von Modellbau über Prototypenanfertigung bis hin zur Luftfahrt und betrifft alle Materialgruppen, von Kunststoffen über Metalle, Keramiken und Gläser. Bei der Herstellung von Funktionsbauteilen, welche nicht nur optischen Ansprüchen genügen, sondern tatsächlichen mechanischen Belastungen standhalten müssen, zeigen sich aufgrund der Herstellung Ebene um Ebene schnell gravierende Nachteile der additiven Fertigung, beispielsweise die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften. Im Rahmen dieser, durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) im Zuge eines ZIM-Kooperationsprojektes zusammen mit der Meister Strömungstechnik GmbH geförderten Arbeit, sollte daher überprüft werden, inwieweit sich die Prüfnormen, welche zur Prüfung konventionell hergestellter Kunststoffe entwickelt wurden, sich auch auf additiv gefertigte Proben übertragen lassen. Dies war nötig, da es zum Zeitpunkt der Arbeit keine Prüfnormen gab, welche sich explizit auf additiv gefertigte Materialien beziehen. Dabei zeigte sich, dass eine Charakterisierung 3D-gedruckter Bauteile auf der Basis vorhandener Prüfnormen für konventionell hergestellte Materialien nur unter zusätzlicher Berücksichtigung der herstellungsbedingten anisotropen Materialeigenschaften als Folge der Prozessparameter während des Druckvorganges sinnvoll ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Begriffe, welche zur Definition von Materialeigenschaften in den Datenblättern verwendet werden, zum Teil missverständlich formuliert sind und sich erst durch eine genaue Analyse der zugrundeliegenden Norm erklären. Zudem konnte gezeigt werden, dass gewisse Normen zur Bestimmung von Materialeigenschaften keine Werte für eine an Realbedingungen orientierte Materialcharakterisierung ergaben und es möglich ist, auf einfachem Wege mittels mechanischer Prüfung hierzu geeignetere Werte zu erhalten. Für die konkret getesteten Materialien wurden dabei die herstellungsabhängigen Einflussprozesse auf die mechanischen Eigenschaften sowie der Einfluss von Umwelteinwirkungen wie beispielsweise UV-Strahlung oder Wasser auf das fertige Bauteil untersucht. Hiermit sollte festgestellt werden, ob additiv gefertigte Bauteile sich für den Kooperationspartner Meister Strömungstechnik GmbH dafür eignen, ein für und von den Kunden individualisierbares und transparentes Durchflussmessgerät herzustellen. Die bisher fertigungs- und montagetechnisch aufwendig hergestellten Messsysteme aus Glas sollten hierdurch ergänzt beziehungsweise ersetzt werden. Für die Materialauswahl zur Herstellung des Durchflussmesssystems wurden dabei additiv gefertigte Proben unterschiedlichster 3D-Druckverfahren mit den im Rahmen der Arbeit angepassten Prüfverfahren auf ihre Eigenschaften untersucht und miteinander verglichen. Dabei erwiesen sich zwei der ausgewählten Photopolymere (FotoMed®LED.A, Accura® ClearVue™) als nicht geeignet, da sich während der Evaluierungsphase zeigte, dass diese Materialien zum einen die im Datenblatt angegebenen mechanischen Kenndaten um bis zu 50 % unterschritten, zum anderen eine vorher nicht bekannte Löslichkeit in Wasser aufwiesen. Mit VeroClear™, dem dritten getesteten Polymer, wurde anschließend ein Material gewählt, welches alle Anforderungen zu erfüllen schien. Bei den folgenden Charakterisierungen der mechanischen Eigenschaften gedruckter VeroClear™-Versuchskörper über Biege- und Zugversuchen zeigte sich die erwartete Abhängigkeit von der Orientierung des Bauteiles zur Druckrichtung auf die mechanischen Eigenschaften. Den Folgen des anisotropen Verhaltens auf die Belastbarkeit eines fertigen Bauteils konnte durch eine belastungsorientierte und damit spezifische Ausrichtung während dem Druckvorgang entgegengewirkt werden. Im Rahmen der umfänglichen Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften der Versuchskörper zeigte sich auch, dass die verwendeten Normen für die unterschiedlichen Prüfverfahren für additiv gefertigte Bauteile keine vollumfängliche Information über deren mechanische Eigenschaften liefern. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Anpassungen und Ergänzungen der Prüfnormen erarbeitet, welche die Komplexität der 3D-gedruckten Werkstoffe berücksichtigen. Ergänzende Untersuchungen des Einflusses eines Multimaterial-Drucks, also des Drucks eines Körpers aus zwei unterschiedlich gefärbten Polymeren der gleichen Materialgruppe mit theoretisch vergleichbaren mechanischen Eigenschaften, zeigte, dass auch hierdurch die mechanischen Eigenschaften des Probenkörpers beeinflusst wurden. Dieses Verhalten konnte in klassischen mechanischen Testverfahren, wie Biege- und Zugversuchen, sowie über ein polarisationsoptisches Verfahren zur Sichtbarmachung der internen Spannungen direkt während des Zugversuchs im Detail untersucht und visualisiert werden. So konnten Lösungsansätze entwickelt werden, um reale Bauteile zu konzipieren. Im weiteren Verlauf zeigte sich, dass Versuchskörper aus VeroClear™, das als sogenanntes Duroplast beworben wurde, bereits bei Temperaturen unterhalb der im Datenblatt angegebenen Wärmeformbeständigkeit von 50 °C anfingen zu kriechen. Daher wurde eine Modifikation der DIN-ISO-Norm zur Bestimmung der Wärmeform beständigkeit erarbeitet, die für den realen Einsatz verlässliche Werte und Parameter liefert. Über weiterführende Langzeitexperimente ließ sich belegen, dass auch bei diesem Material der Kontakt mit Wasser die mechanischen Eigenschaften deutlich verschlechterte. Zukünftige Prüfnormen sollten daher unbedingt darauf hinweisen, dass ein solcher Effekt zu berücksichtigen ist. Damit ergab sich letztendlich eine vollständige Abkehr von der ursprünglichen Idee, aus einem transparenten Kunststoff ein additiv gefertigtes Durchflussmessgerät herzustellen. Diese konnte zum einen mit den Ergebnissen der konkreten Material charakterisierungen begründet werden, zum anderen zeigte sich, dass die für den 3D Druck postulierte Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften zur Zeit nicht zu gewährleisten ist. So zeigten gleiche Probengeometrien aus identischen Materialien bei der Herstellung mit gleichen Prozessparametern durch unterschiedliche Druckdienst leister teilweise signifikante Unterschiede in ihren Eigenschaften
 

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