Haftungsvorhersage und Haftungsverbesserung im Fused Filament Fabrication (FFF) Prozess

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Abstract

Bei der additiven Fertigung mittels Schmelzeschichtung (Fused Filament Fabrication FFF), kommt es mit jeder neuen Schicht zu einer Benetzung der alten mit der frischen Polymerschmelze, welche aus der Düse mittels Extrusion herausgedrückt wird. Der Volumenstrom wird durch den Filamentdurchmesser und die Vortriebsgeschwindigkeit geregelt, während die Temperatur an der Düse durch Heizzonen eingestellt wird [ ]. Besonders bei der ersten Schicht bei der die Kunststoffschmelze auf das Druckbett abgelegt wird, führt die anschließende Abkühlung und Erstarrung der Schmelze zu einer Volumensschwindung. Je nach Polymer und Temperaturunterschied bildet sich die Schwindung mehr oder weniger stark aus. Häufig sorgt sie dafür, dass sich die gedruckten Bauteile vom Druckbett ablösen und der Druck dadurch abgebrochen werden muss.
Um eine Aussage zu treffen, in wie weit die Entformungskraftmessungen, welche an den Lehrstühlen für Kunststoffverarbeitung und Spritzgießen von Kunststoffen im Bereich des Spritzgießens in der Vergangenheit durchgeführt wurden [ ], auch im Bereich des FFF anzuwenden sind, wurden unterschiedliche Materialpaarungen untersucht. Die untersuchten drei Druckbette sind der Glasspiegel, dieser mit einer Kaptonfolie oder einem Bluetape (eine Art Malerklebeband) beklebt. Des Weiteren wurden jeweils zwei unterschiedliche Reinigungsmittel verwendet, um deren Einfluss auf die Haftung zu untersuchen. Der erste Reiniger besteht aus Wasser, Tensid und einer Mischung von organischen Lösemitteln (Butan, Methoxypropan-2-ol, Ethanol sowie Propan), während der zweite reines Aceton war. Bei den Kunststoffen handelt es sich um zwei verschiedene PLA-Typen der Firma Natureworks ®, wovon eine speziell für den 3D-Druck optimiert ist, während die andere eine Standardtype ist. Diese Materialien wurden in einer Vakuumpresse zu Platten gepresst. Weiters wurde eine Materialmischung (Polymermischung mit 50 vol.% Stahlpulver) aus dem Projekt ReproMag zu Teststreifen verarbeitet. Die Proben wurden mit einem Kontaktwinkelmessgerät (Krüss DAS 100) untersucht. Dabei wurden bei Raumtemperatur drei unterschiedliche Testflüssigkeiten (Wasser, Diiodomethan und Ethylenglycol) mit bekannten polaren und dispersen Anteilen auf die Oberflächen getropft und der sich im Gleichgewicht ergebende Kontaktwinkel gemessen.
Mit der Methode nach Owens et.al. [ ] kann für jedes Material der polare und disper-se Anteil, sowie die gesamte Oberflächenenergie der Festkörper bestimmt werden. Für eine gute Haftung soll die Oberflächenspannung bzw. -energie der beiden Kon-taktpartner sollte möglichst hoch sein, und die dispersen und polaren Anteile beider Komponenten ähnlich sein. Aus dieser Betrachtung folgt, dass die Grenzflächen-spannung möglichst gegen Null gehen soll, um eine perfekte Benetzung zu erzielen [2]. Der Vergleich der Ergebnisse mit den Versuchen am Drucker zeigte erste Übereinstimmungen.

Details

Translated title of the contributionPrediction and improvement of the adhesion in Fused Filament Fabrication
Original languageGerman
Pages201
Number of pages2
Publication statusPublished - 14 Apr 2016
Event25. Leobener Kunststoff-Kolloquium - Leoben, Austria
Duration: 14 Apr 201615 Apr 2016

Conference

Conference25. Leobener Kunststoff-Kolloquium
CountryAustria
CityLeoben
Period14/04/1615/04/16