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Institut für Verbundwerkstoffe GmbH

16.03.2017

Dr. Jens Schlimbach

jens.schlimbach@ivw.uni-kl.de

+49 (0) 631 2017-312

Thermoplastischer 3D-Druck mit kontinuierlicher

Faserverstärkung

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Einleitung

Motivation

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Einleitung

Motivation

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Additive Fertigung mit Kunststoffen Tapelegen von Faserkunststoffverbunden

Komplexe Geometrien

Niedrige Festigkeiten

Nur flache Strukturen

Hochfeste Strukturen

Komplexen und hochfesten Strukturen

Source: https://www.germanreprap.com

Vorteile für die Produktion Hoher Individualisierungsgrad

Hohe Flexibilität

Ressourcenschonend

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Einleitung

Zielsetzung

• Erhöhung der mechanischen Eigenschaften 3D-gedruckter

Kunststoffe

• Entwicklung eines additiven Fertigungsverfahrens für

kontinuierliche faserverstärkte Kunststoffe (FKV)

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Klassifizieren von additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe:

• Strahlenhärtend

• Sinter / Binder

• Extrusion

flüssig

pulverförmig

kontinuierliche Stränge

Einleitung

Auswahl eines geeigneten Verfahrens

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Fused Deposition Modeling (FDM)

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Einleitung

Versuchsaufbau

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1. Beheizbares Druckbett

2. Druckkopf

3. x / y - Achse

4. Schrittmotoren

5. z - Achse (Gewindespindeln)

6. SD Kartenleser und Bedienfeld

7. Extrusionsdüse

8. Förderrollen

9. Heiz-Pin

10. Klemmblock

11. Ventilator

German RepRap X400 FDM-Drucker:

Source: https://www.germanreprap.com

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Anlagentechnik

Entwicklungen

• Extrusionsprozess:

• Integration der kontinuierlichen Faserverstärkung

• Temperaturführung

Entwicklung eines Hot-Ends

• Diskontinuierliches Ablegen:

• Die kontinuierliche Faserverstärkung erfordert eine

Schneideinheit, um diskontinuierliches Ablegen zu

ermöglichen.

• Halbzeug und Bauteilqualität

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Anlagentechnik

Integration der kontinuierlichen Fasern

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Temperaturmanagement

Motivation

Temperatur kritischster Prozessparameter:

• Temperaturführung in der Düse

• Ausreichende Erwärmung zur Aufschmelzung und Förderung

des Materials

• Temperaturführung außerhalb der Düse

• Mindest-Erstarrungslänge für Umformung des Materials

• Max. Erstarrungslänge für Stabilität der Struktur

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Entwicklung eines thermischen Simulationstools zur Analyse des

Temperaturverlaufs

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Out-of-plane

• Verstärkungswirkung kontinuierlicher Fasern

hängt stark vom Winkel zwischen Belastungs-

und Faserrichtung ab. Quer zur Faserrichtung

können lediglich ein Zehntel der Steifigkeiten

und Festigkeiten als längs zur Faserrichtung

erreicht werden.

• Klassische additive Fertigungsverfahren setzen

ein Bauteil schichtweise zusammen.

• Faserausrichtung nur in der Druckebene

möglich.

• Belastungsgerechte Verstärkung erfordert eine

Ablage in alle Raumrichtungen (Freiformen).

• Um beim Freiformen ein Zusammenfallen der

gedruckten Struktur zu verhindern, ist die

Entwicklung einer Kühleinheit erforderlich.

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• Entwicklung einer thermische Simulation mit COMSOL

• Integration eines CAD Modells und Definition der

Wärmeübergänge

• Strangmaterial Vertikaler Zylinder

• Erwärmung: Wärmeleitung

• Abkühlung: Konvektion + Strahlung

– Ohne aktive Kühlung: Freie Konvektion

– Mit aktiver Kühlung: Erzwungene Konvektion

• Wichtige Materialgrößen:

– Wärmeleitfähigkeit

– Wärmekapazität

– Emissionsgrad

– Wärmeübergangskoeffizient

Thermische Simulation

Entwicklung

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Temperaturabhängig

Geometrieabhängig

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Analyse des Abkühlverhaltens

Abkühlkriterium

• Bedingungen:

• Verarbeitung des Materials bei 210 °C (50°C Ts)

• Erstarrung des Materials bei 160°C

• Kriterium: max. Dehnung von 1 %

• DMTA-Versuche

• Berechnung der minimalen Erstarrungslänge

über die Biegespannung

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𝐿0,𝑚𝑎𝑥 =𝜎𝑏 ∙ 𝜋 ∙ 𝐷

3

𝑆𝐹 ∙ 64 ∙ 𝑞= 11 mm

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Einfluss der Prozessgeschwindigkeit und Art der Kühlung auf die

Erstarrungslänge:

Analyse des Abkühlverhaltens

Abkühlverhalten

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166

2 4 6,5 13 26 38

Simulation – Cooling of the extruded Filament

Different Process Speeds; natural and forced (v=105 m/s) Convection

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Analyse des Abkühlverhaltens

Abkühlverhalten

Untersuchung des Einflusses der Strömungsgeschwindigkeit auf die

Erstarrungslänge mittels thermischer Simulation

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Standard-Hotend des X400 3D-Druckers:

Anlagentechnik

Hotend

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Aufbau Schnitt durch Druckdüse

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• Isolierter Heizdraht

Höhere und homogenere Heizleistung

• Zusätzliche Isolierhülsen

Geringerer Wärmeverlust

• Integration des Thermistors in die Druckdüse

Verbesserte Temperaturregelung

Anlagentechnik

Hotend - Neuentwicklung

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PEEK-Schraube

Adapterbuchse

PEEK-Mutter

Heizdraht

Thermistor-

bohrung

Düse

PEEK-Isolierung

Isolierung

Überwurfmutter

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Weiterentwicklung Anlagentechnik

Kühlsystem

Luftkühlung: Konzeptionierung und Bewertung verschiedener Systeme

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Weiterentwicklung Anlagentechnik

Kühlsystem

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Kühldüsen

Druckluft-

ventil

Druckluft-

schlauch

Kühldüsen-

Halterung

Befesti-

gungsplatte

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Anlagentechnik

Schneideinheit

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Testen verschiedener Schneidkonzepte

2 Klingensysteme Klinge-Matrix-System

Quetschschnitt Scherenschnitt Mit Niederhalter Ohne Niederhalter

Pneumatikzylinder

Matrize

Cutterklinge

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Anlagentechnik

Schneideinheit

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Testen verschiedener Schneidkonzepte

2 Klingensysteme Klinge-Matrix-System

Quetschschnitt Scherenschnitt Mit Niederhalter Ohne Niederhalter

Matrix

erstarrt

Matrix

schmelzflüssig

Matrix

erstarrt

Matrix

schmelzflüssig

Matrix

erstarrt

Matrix

schmelzflüssig

Matrix

schmelzflüssig

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Anlagentechnik

Schneideinheit

Trennen des Halbzeugstrangs im schmelzflüssigen Zustand:

• Klinge-Matrizen-System

• Festhalten des Strangmaterials über einen Niederhalter

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Anlagentechnik

Schneideinheit

Geringe Störkontur für große Ablegefreiheit

• Möglichst geringe Abmaße

• Schneiden bewegen sich auf einem Radius

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Validierung

Inbetriebnahme

Herstellung eines freigeformten Demonstrators:

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Video Freiform

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Analyse Bauteilqualität

Motivation

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Bauteilqualität • Imprägnierqualität

• Faserlage

• Verbindung der Stränge

(Konsolidierung)

• Oberflächenqualität

• Mechanische Eigenschaften

Prozessparameter • Druckgeschwindigkeit

• Drucktemperatur

• Z-Achsen Offset

• Bahnabstand

Ablegeparameter • Ablage auf Druckbett

bzw. Freiformen

• Ablage nebeneinander

bzw. übereinander

• Kühlung

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• Vorimprägnierter Halbzeugstrang (LFT-Halbzeug)

• Polymer: Polypropylen

• Reinforcement: Glasfasern

• Durchmesser: 1.7 – 2.5 mm

• Schmelztemperatur: 166 °C

• Faservolumengehalt: 30 %

• Ø Porengehalt: 9.2 %

Ausgangsmaterial

Charakterisierung

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Analyse Extrusionsprozess

Nachimprägnierung

Einfluss der Extrusionsgeschwindigkeit auf den Porengehalt:

Höhere Prozessgeschwindigkeit = geringere Qualität 26

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Einfluss Prozessparameter

Z-Achsen Offset

Untersuchung des Einflusses des Z-Achsen Offsets auf die Bauteilqualität

Durchführung von Biegeversuchen:

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Einfluss Prozessparameter

Z-Achsen Offset

Untersuchung des Einflusses des Z-Achsen-Offsets auf die Bauteilqualität

Schliffbilder:

Minimaler z-Achsen-Offset erreicht gute Laminatqualität

Konzept nachgewiesen

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Zusammenfassung

• Die kontinuierliche Faserverstärkung konnte erfolgreich uin

den 3D-Druck-Prozess integriert werden

• Die Temperaturführung wurde mittels Simulation ermittelt

und validiert

• Diskontinuierliches Ablegen in den Raum ist möglich

• Es können gute Laminatqualitäten mit sehr günstigen

Halbzeugen erreicht werden

Die Anlagentechnik zum 3D-Druck mit kontinuierlicher

Faserverstärkung ist erfolgreich umgesetzt

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Ausstehende Forschungsarbeiten

Gegenstand aktueller und zukünftiger Forschungsarbeiten:

• Höhere Prozessgeschwindigkeit: Entwicklung einer Vorheizstrecke

• Größere Ablegefreiheit: Position der Schneideinheit prüfen

• Höhere Prozessstabilität: Optimierung der Fördereinheit

• Optimierung der Halbzeuge

• Qualifizierung von neuen Materialien: Q.I.T.S.

• Übertragung der Technologie auf Roboter

• Wirtschaftliche Betrachtung des Verfahrens gegenüber

Referenzverfahren

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Contact details:

info@ivw.uni-kl.de

Tel: +49 (0)631 2017 0

www.ivw.uni-kl.de

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