Auswirkung der Materialeigenschaften von ungefüllten und holzgefüllten Biopolymeren für die Anwendung von Fused Filament Fabrication

Peter Mooslechner

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Wood Plastic Composites (WPC) oder Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe, bilden eine relativ junge Werkstoffgruppe, die in den letzten Jahren aufgrund des steigenden Umweltbewusstseins ein starkes Wachstum erfuhren. Vorrangig wird das umweltfreundliche Material als Ersatz für teure Tropenhölzern im Außenbereich für Terrassenböden und Abdeckungen verwendet. Da es zu einem großen Anteil aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz besteht, werden Optik und Haptik des Holzes nachgeahmt. Neue Verarbeitungstechnologien sollen neue Anwendungsgebiete für diesen Werkstoff erschließen. Daher wird in dieser Masterarbeit die Eignung von holzgefüllten Kunststoffen für generative Fertigungsmethoden (FFF/3D-Druck) untersucht. Ziel dieser Arbeit war den Unterschied zwischen holzgefüllten und ungefüllten Materialien in Bezug auf ihre Stoffdaten und folglich auf die Verarbeitbarkeit am 3D-Drucker zu ermitteln. Zum Vergleich wurden gefüllte und ungefüllte Biopolymere von Tecnaro, kommerziell erhältliche WPC Filamente von Colorfabb und hochgefüllte WPC-Spritzgusstypen von der Firma Jelu getestet. Dazu wurde eine thermische und rheologische Untersuchung durchgeführt, um ein erstes Verständnis des Materialverhaltens zu erhalten. Mittels einer Strömungssimulation in Ansys Polyflow® wurden Parameter wie Druckabfall, Scher- und Fließgeschwindigkeit in der 3D-Druckdüse simuliert. Abschließend wurden die einzelnen Materialien am 3D-Drucker getestet, um die Einflüsse der Materialeigenschaften auf die Verarbeitung, bzw. Festigkeit der gedruckten Bauteile zu charakterisieren. Aus den gewonnen Erkenntnissen sollten die Anforderungen an ein holzgefülltes Filament definiert werden. Die deutlich höhere Viskosität der hochgefüllten Systeme im Vergleich zu ungefüllten Biopolymeren führt in der Polyflow-Simulation zu einem höheren Druckabfall in der Düse des 3D-Druckers. Bereits bei der Extrusion der Filamente entstehen Schwierigkeiten, da hochgefüllte Polymere sehr spröde sind und bei einem Durchmesser von 1,75 mm sehr leicht brechen. Zudem ist die Oberfläche der Filamente sehr rau und die Filamente reißen beim Abziehen. Der praktische Test am 3D-Drucker zeigte für die Biopolymere sowie für die kommerziellen WPC-Filamente (30 Gew.-%) gute Ergebnisse, wohingegen die hochgefüllten Spritzgusstypen nicht mit dieser Technologie verarbeitet werden konnten. Wie aus der Simulation hervorgeht ist der Druckbedarf für diese Materialien zu hoch. Die Einzugsrollen bringen den nötigen Druck nicht auf und das Filament bleibt stecken. Zudem verstopfen die groben Holzpartikel die Düse. Herkömmliche Polyolefine (PP, PE) sind als Matrixmaterial aufgrund ihrer Kristallinität für den 3D-Druck nicht geeignet, da sie beim Abkühlen stark schwinden und sich von Druckbett lösen. Diese Arbeit zeigt die Einsatzgrenzen der verarbeitbaren WPC-Materialen. In weiterführenden Arbeiten sind zusätzliche Untersuchungen zur Füllstoffgröße und Füllstoffgehalt nötig.
Titel in ÜbersetzungInfluence of material properties of unfilled and wood filled biopolymers on processing with Fused Filament Fabrication
OriginalspracheDeutsch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schuschnigg, Stephan, Mitbetreuer (intern)
  • Duretek, Ivica, Mitbetreuer (intern)
  • Holzer, Clemens, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung1 Juli 2016
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2016

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • wood plastic composites
  • WPC
  • 3D-Druck
  • holzgefüllte Filamente
  • WPC Filamente
  • Fused Filament Fabrication

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