Verfahrens- und werkstoffspezifische Einflussfaktoren beim Laserpolieren additiv gefertigter Kunststoffbauteile

Die Herstellung verschiedenster Bauteile aus Kunststoff ist weit verbreitet und die Nachfrage steigt kontinuierlich. In vielen Branchen sind Kunststoffbauteile vermeintlich unersetzlich. – Doch haben viele eines gemeinsam: Die Oberfläche muss funktionale Zwecke erfüllen. Während die Oberfläche bei optischen Linsen glatt sein muss, muss das Armaturenbrett visuellen Gestaltungsansprüchen genügen und beispielsweise eine bestimmte Struktur aufweisen. Besonders in der 3D-Druck Technik weisen die Bauteiloberflächen eine hohe Rauheit auf und benötigen oftmals eine Glättung der Oberfläche für die vorgesehenen Anwendungen. Viele Verfahren zur Reduktion der Oberflächenrauheit sind aufwendig, kostenintensiv oder erfüllen nicht alle geforderten Qualitäts-anforderungen. Eine Alternative zu den herkömmlichen Methoden ist das Laserpolieren. Das Laserpolieren wird bereits bei Metallen und Gläsern erfolgreich eingesetzt. Das Verfahren für Kunststoffe ist noch nicht so weit ausgereift, obwohl gerade hier viel Potential liegt. Zur Verbesserung des Prozessverständnisses werden im Rahmen dieser Arbeit umfassende Studien durchgeführt, mit deren Ergebnisse die wesentlichen Kernparameter und Randbedingungen des Prozesses herausgearbeitet werden können. Insbesondere wird im Rahmen dieser Dissertation der systematische Einfluss der verschiedenen Prozessparameter sowie der Zusammenhang zwischen Temperaturgradient, Viskosität, Oberflächenspannung und der Rauheits-reduktion beim Laserpolieren untersucht. Durch eine Varianzanalyse wird gezeigt, dass insgesamt die Temperatur den größten Einfluss auf den Laserpolierprozess aufweist. Direkt darauffolgend sind die Scangeschwindigkeit an zweiter Stelle und der Laserstrahldurchmesser an dritter Stelle. Alle als signifikant geltenden Prozessparameter haben gemein, dass sie einen großen Effekt auf die Ausbildung des Schmelzbads haben und somit auf die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze. Aus diesem Grund ergibt sich die Hypothese, dass die Rauheitsreduktion eine systematische Abhängigkeit von der Viskosität des Materials aufweist. Diese Hypothese kann im Rahmen der Arbeit bestätigt werden. Für Viskositäten bis zu η* = 500 Pa*s nimmt die Rauheitsreduktion mit steigender Viskosität exponentiell zu. Oberhalb dieses Grenzwerts dagegen nimmt sie nahezu linear ab. Die lineare Abnahme der Rauhigkeitsreduktion ab diesem Grenzwert lässt darauf schließen, dass ab diesem Punkt die Oberflächenspannung zunehmend zu klein ist, um die Viskosität zu überwinden und die Oberfläche zu glätten. Dies führt dazu, dass ein Temperaturbereich existiert, in dem sich beide Kräfte gut ergänzen zur Rauhigkeitsreduktion.

Components made of plastic are produced all over the world and the demand for them is continuously increasing. Indeed, plastic components in the most varied forms and sizes have become indispensable in many industries; what most components share, however, is the need for a functional surface. For example, optical lenses must have smooth surfaces to operate effectively, while automobile dashboards need rough ones to meet visual design requirements. Many conventional methods for producing a defined surface roughness are complex, costly or do not meet all the required quality standards. An alternative to them is laser polishing, which is already used for metals and glass with great success. Nonetheless, the process is not yet fully developed for plastics, and this is precisely where a lot of potential lies. In particular, the surfaces of 3D-printed plastic components are rough and often require surface smoothing for the intended applications. More comprehensive studies need to be conducted to work out the essential core parameters in order to better understand the laser polishing process. This dissertation presents investigations on the systematic relations between various process parameters as well as the correlation between temperature gradient, viscosity, surface tension and roughness reduction during laser polishing. A variance analysis showed that the temperature has the greatest influence on the laser polishing process. This is immediately followed by the scanning velocity and then the laser beam diameter. All process parameters considered significant have a large effect on the formation of the melt pool and, thus, on the flowability of the plastic melt. This leads to the hypothesis that the roughness reduction is systemically dependent on the viscosity of the material. This hypothesis was confirmed in the experiments presented here. For viscosities below η* = 500 Pa*s, roughness reduction increased exponentially with increasing viscosity, whereas above this limit it decreased almost linearly. The exponential increase below this limit suggests that at this point the relation between surface tension and viscosity is not suitable for smoothing the surface. This leads to the existence of an optimal temperature range where both forces fit together perfectly.