Dreidimensionales Schmelzschichten auf nicht-planaren Oberflächen zur Herstellung von Hybridbauteilen

Ziel dieser Arbeit war die Realisierung der Anbindung von thermoplastischen Polymeren mittels additivem Fertigungsprozess (Werkstoffextrusions-Verfahren) an weitere Polymere sowie metallische Substrate, die durch eine komplexe, nicht-planare Grenzfläche gekennzeichnet sind. Neben der Etablierung einer modifizierten Prozessroute unter Einbeziehung einer G-Code- Modifikation, wurden die lokalen Einflüsse und Verhaltensweisen an der Grenzfläche untersucht. Im Vordergrund standen hierbei vor allem die thermische Prozessführung und die geometrischen sowie strukturellen Einflüsse, wobei weiterhin auch das Benetzungs- sowie Viskositätsverhalten diskutiert wurden. Die Anbindung der im WE-Verfahren verarbeiteten Polymere (PLA und PETG) erfolgte auf Substrate der jeweils entgegengesetzten Polymere und auf Aluminium (EN AW-6082 und EN AW-5754). Die verwendete G-Code-Modifikation erwies sich als einfach anzuwendendes Tool zur Realisierung von nicht-planaren Extrusionsbewegungen und somit des Aufdruckens auf komplexe Oberflächen. Weiterhin ist die herkömmliche Arbeitsweise und Parametervielfalt des Slicing-Prozesses weiterhin nutzbar, was die Anwendungsvielfalt erhöht. Die Definition neuer Einstellparameter für den Druckprozess auf nicht-planaren Oberflächen ermöglicht eine intuitive Anwendung. Bei den polymeren Multi-Material-Proben erwiesen sich die Druckreihenfolge, die thermische Historie im Prozess, die Grenzflächengeometrie und die polymerspezifischen Eigenschaften als entscheidend für die mechanischen Eigenschaften. Die Reihenfolge PETG-PLA zeigt in den meisten Fällen höhere Bruchlasten im Vergleich zur umgekehrten Reihenfolge auf, wobei mit einem zunehmenden Temperatureinfluss an der Grenzfläche ein gegensätzlicher Trend vorzuliegen scheint. Hinsichtlich der Benetzung zeigten beide Polymere ähnliche Verhaltensweisen auf, weshalb die mutmaßlich geringere Viskosität des PLA die Grenzflächenfestigkeit im Hinblick auf die Druckreihenfolge zu beeinflussen scheint. Die Grenzflächen, die mittels nicht-planarer Struktur hergestellt wurden, zeichnen sich bei großen Oberflächenwinkeln durch eine charakteristische Strukturierung der Grenzfläche aus. Diese wirkt sich positiv auf die Haftfestigkeit aus.Weiterhin ist der lokale Temperatureinfluss der beheizten Düse der WE-Anlage in Kombination mit den Verfahrwegen entscheidend. Hierbei zeigte sich die klassische, planare Struktur in bestimmten Fällen vorteilhaft, da ein vermehrtes und stärkeres Wiedererwärmen der Grenzfläche vorzuliegen scheint. Für Grenzflächen mit einem Oberflächenwinkel von 30° erwies sich daher die Kombination aus nicht-planar hergestellter und somit strukturierter Grenzfläche mit einem planar gedruckten Fügepartner als die beste Kombination, da hierbei die förderlichen Eigenschaften der Grenzflächenstruktur und des Temperatureinflusses vorlagen. Hin zu kleineren Oberflächenwinkeln ist die Identifizierung einer besten Grenzflächenstruktur weniger eindeutig, da sich die einzelnen Einflussparameter in anderer Weise auswirken. Bei den Aluminium-Polymer-Multi-Material-Proben erwies sich die, in dieser Arbeit erarbeitete, nicht-planare Druckfolge als die Überlegene. Hierbei ist maßgeblich die Temperaturführung des Prozesses entscheidend, die in Kombination mit der nicht-planaren Schichtfolge zu einer gleichmäßigen Kontaktausbildung an der Grenzfläche führt. Dies ist bei der planaren Schichtstruktur nicht der Fall. Weiterhin stellte sich die Grenzflächengeometrie als entscheidender Faktor für das Versagensverhalten heraus. Bereits leichte Modifikationen und/oder Inhomogenitäten können zu einem verfrühten Versagen oder auch anderem Versagensmuster führen. Während eine gleichmäßige Grenzfläche ein polymerspezifisches Einschnüren außerhalb der Fügefläche zur Folge hat, führt eine lokale Versagensinitiierungsstelle zu einem zunehmenden Sprödbruchcharakter im Polymer nahe der Fügefläche. Auch hierbei liefert die Temperaturführung im Prozess einen entscheidenden Beitrag. Insgesamt versagten die Aluminium-Polymer- Multi-Material-Proben überwiegend im Polymer. Dieses Kohäsionsversagen ist das Resultat guter Grenzflächenfestigkeiten in Kombination mit den verwendeten Prozessparametern der additiven Fertigung. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit lassen sich folgende Weiterführungen dieser Arbeit anregen: Weiterentwicklung der G-Code-Modifizierung:
Durch die Definition der Prozesskette samt G-Code-Nachbearbeitung ist die finale G-Code- Datei stark von den Einstellungen im Slicing-Prozess abhängig und erfordert ggf. das nachträgliche Eingreifen des Nutzers. Hierfür ist ein gewisses Prozessverständnis notwendig. Eine Weiterentwicklung hin zur intuitiven Anwendung ohne potentielles Eingreifen des Anwenders erscheint als sinnvoll. Weiterhin können weitere spezifische Funktionen integriert werden, wie z. B. die Anwendbarkeit auf mehrere Bauteile auf der Druckplattform in einem Schritt. Optimierung des Probendesigns:
Das Design von geeigneten Prüfprobengeometrien für Multi-Material-Proben, hergestellt mittels WE-Verfahren, wurde in der Forschung bereits diskutiert. Hinsichtlich komplexer Grenzflächengeometrien fehlen jedoch solche Untersuchungen. Die Proben dieser Arbeit weisen eine nicht-planare Grenzfläche auf, das Design kann jedoch zu Problemen in der Prozessroute führen. Beispielsweise liegen beide Probenhälften auf dem Druckbett auf, sodass die Druckbetttemperatur an beide Materialien angepasst sein muss. Die Vergleichbarkeit von Prüfkörperdesigns für Multi-Material-Proben komplexer Fügeflächen ist für die Untersuchung lokaler Einflussfaktoren entscheidend. Prozess der polymeren Multi-Material-Proben:
Die Anbindung mehrerer Polymere im WE-Prozess ist bereits gut erforscht. Der Fokus zukünftiger Arbeiten sollte demnach weiterhin auf der Optimierung der Anbindung einer komplexen Grenzfläche liegen. Hierfür sind eine prozesssichere Materialauswahl und jeweilige Druckparameter entscheidend. Neben der Probengeometrie erscheint die Optimierung der Grenzflächenstruktur infolge der Extrusionspfade sinnvoll. Darüber hinaus könnten lokale Grenzflächenstrukturen zusätzlich integriert werden, wie es in der Literatur bereits bei planaren Schichtfolgen durchgeführt wurde. Erweiterung der Prozesskette der Aluminium-Polymer-Multi-Material-Proben: Durch die, in dieser Arbeit zusätzlich gewonnene, Geometriefreiheit der Fügefläche sollten weitere Prozesssysteme integriert werden. Die in anderen Forschungsarbeiten beschriebene in situ Prozessüberwachung mittels Thermographie und deren Anwendung anhand der nichtplanaren Extrusionspfade ist zu empfehlen. Weiterhin sollte die Temperierung des Aluminium-Substrates optimiert werden. Je nachdem, wie die Grenzfläche orientiert ist, ist eine Temperaturführung ausschließlich über das Druckbett nicht zu empfehlen. Eine dynamisch anzupassende Temperierung sollte integriert werden. Denkbar sind an dieser Stelle lokale Heizelemente oder auch strahlungsbasierte Heizverfahren. Zuletzt sollten neben der Prüfkörpergeometrie auch die Parameter der Herstellung des polymeren Fügeteils optimiert werden. Das – in dieser Arbeit vorwiegend auftretende - Versagen im Polymer sollte vermieden werden, sodass die tatsächlichen Bruchlasten an der Grenzfläche untersucht werden können.