Einfluss eines beheizten Bauraums auf die Schweißnahtqualität

Das Fertigungsverfahren Fused Layer Modeling oder auch Fused Layer Manufacturing (FLM) lässt sich den Extrusionsverfahren zuordnen [1]. Es wird häufig auch Fused Deposition Modeling (FDM) genannt, welches das von 1989 bis 2009 patentierte Verfahren von Stratasys charakterisiert [2]. Im alltäglichen Sprachgebrauch ist der Begriff FDM Verfahren am geläufigsten und wird daher im Folgenden verwendet. Die Bauteilerzeugung erfolgt im FDM Verfahren durch eine schichtweise Ablage eines Kunststoffstrangs. Aufgrund von thermischer Verschmelzung verbindet sich das Material mit der darunterliegenden Schicht. Der extrudierte Strang besitzt eine höhere Temperatur als die bereits abgelegte Schicht, weshalb Wärme an diese abgegeben wird. Es kommt zu einem Anschmelzen der abgelegten und auf Bauraumtemperatur abgekühlten Schichtstruktur, wodurch der extrudierte Strang mit dieser verbunden wird. Dies führt zu den charakteristischen Schweißverbindungen des FDM Prozesses. Der Einsatz eines beheizten Bauraums ermöglicht es, die Temperaturunterschiede zwischen dem aufgeschmolzenen Material bei Düsenaustritt und der auf Bauraumtemperatur abgekühlten Schicht zu reduzieren. Dies minimiert Verzug und erhöht die Verbundfestigkeit zwischen den Schichten. [3]

Aufgrund der weiten Verbreitung des FDM Verfahrens wächst der Markt an neuen Materialien für die additive Fertigung. Gegenstand der durchgeführten Untersuchungen ist das Überprüfen des Einflusses eines aktiv beheizten Bauraums auf die im FDM Prozess erzielbare, verfahrenstypische Schweißnahtqualität am Beispiel eines Polyetheretherketons (PEEK). In den Untersuchungen wird eine im Direct Manufacturing Research Center (DMRC) der Universität Paderborn erarbeitete, innovative Methodik zum Prüfen der erzielbaren Schweißnahtqualität verwendet, mit der die Verarbeitungseignung von Materialien im FDM Prozess möglich ist. Die Untersuchungen werden auf einer parameteroffenen Hochtemperaturanlage durchgeführt, um die Bedeutung einer Bauraumheizung für das Verarbeiten von Hochleistungskunststoffen im FDM Prozess darstellen zu können. Durch das im Februar 2021 ausgelaufene Patent von Stratasys, Rehovot, Israel, [4] rückt das aktive Beheizen des Bauraums bei den anderen Anlagenherstellern wieder in den Fokus.

Experimenteller Aufbau

In den Untersuchungen wird ein PEEK von Evonik Operations, Marl, verwendet. Das thermoplastische PEEK gehört zur Gruppe der Hochleistungskunststoffe. Ausgewählt ist ein unverstärktes, mittelviskoses PEEK zum Herstellen von Formteilen in Spritzgieß- und Extrusionsanwendungen. Die Granulate werden mit einer Filamentextrusionslinie der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) zu Filamenten verarbeitet.

Zum Untersuchen und Verarbeiten der Filamente wird der Hochtemperatur-3D-Drucker HTP260 von Gewo Feinmechanik, Wörth, verwendet. Die Anlage besitzt einen mittels Druckluft gekühlten Kopf mit zwei Extrusionsdüsen. Zum Aufschmelzen des Kunststoffs lässt sich eine Düsentemperatur von bis zu 450 °C einstellen. Neben dem Bauraum, welcher bis auf 260 °C aufheizbar ist, lässt sich auch das Heizbett temperieren. Hier sind Temperaturen von bis zu 270 °C möglich. Mit diesen Rahmenbedingungen ist es möglich, den Einfluss eines beheizten Bauraums auf das Verarbeiten von Hochleitungskunststoffen und die Schweißnahtqualität im FDM Prozess zu untersuchen.

Vorgehensweise

Fertigungsschritte eines Prüfkörpers zum Ermitteln der Schweißnahtfestigkeit. (Bild: Universität Paderborn)

Die Schweißnahtqualität wurde mit einer von Schumacher [5] entwickelten Methodik ausgewertet. Bestandteil der Methodik ist die Fertigung von Einstrangprobekörpern mit dem Ziel, die mechanischen Festigkeitswerte der einzelnen Schweißnähte anhand von Zugprüfungen zu ermitteln. Der Ablauf ist in Bild 1 dargestellt und konnte erfolgreich für Hochleistungskunststoffe durchgeführt werden.

Um die Schweißnähte zwischen den Schichten beurteilen zu können, werden Schliffbilder erstellt und die Schweißnahtbreite makroskopisch ausgewertet. (Bild: Universität Paderborn)

Um die Schweißnahtfestigkeit zu charakterisieren, wurden Prüfkörper mit einsträngigen Bereichen gefertigt. Diese rechteckigen Zonen werden anschließend thermisch aus dem Prüfkörper herausgetrennt. Aus den separierten Platten werden gemäß der DIN EN ISO 523-3 Zugstäbe vom Typ 1B herausgefräst und deren Festigkeiten in Zugversuchen geprüft. Weiterführend wird zum Berechnen der Schweißnahtfestigkeit der einzelnen Prüfkörper die tatsächliche Schweißfläche zwischen den einzelnen Strängen bestimmt (Bild 2).

Zum Betrachten des Einflusses eines beheizten Bauraums auf die Schweißnahtqualität erfolgt eine Analyse der Schweißnahtfestigkeit in Abhängigkeit von den Prozessparametern Düsentemperatur (430 und 450 °C) und Bauraumtemperatur (150 und 450 °C). Der Temperaturbereich des Bauraums ist mit 150 °C nahe der Glasübergangstemperatur von PEEK und mit 250 °C gezielt groß gewählt worden, um möglichst viel Energie in die Schweißnaht einzubringen.

Darstellung der Ergebnisse

Die Schweißnahtfestigkeit wurde aus der jeweiligen maximalen Zugkraft der Probe im Verhältnis zur tatsächlichen Schweißfläche bestimmt. Die Schweißfläche ist in diesem Zusammenhang durch die makroskopische Messung der Schweißnahtbreite und durch die im Fräsprogramm eingestellte Probenbreite berechnet worden.

Ermittelte Schweißnahtfestigkeiten in Abhängigkeit der Bauraum- und Düsentemperatur. (Bild: Universität Paderborn)

Liegt die Bauraumtemperatur deutlich über der Glasübergangstemperatur des PEEKs, so sind im Schliffbild keine Phasengrenzen zwischen den abgelegten Strängen mehr zu erkennen. (Bild: Universität Paderborn)

Beim Betrachten des Diagramms (Bild 3) werden sowohl die festigkeitssteigernden Einflüsse der Düsentemperatur als auch der Bauraumtemperatur deutlich. Hier steigt die Schweißnahtfestigkeit bei einer Düsentemperatur von 430 °C durch eine Temperaturerhöhung des Bauraums signifikant von 18,14 auf 70,07 MPa. Der Vergleich der höheren Düsentemperaturen (450 °C) zeigt ebenfalls einen Anstieg der Schweißnahtfestigkeiten von 29,99 auf 80,52 MPa mit zunehmender Bauraumtemperatur von 150 auf 250 °C. Die Ergebnisse führen zur Schlussfolgerung, dass eine hohe Bauraumtemperatur erforderlich ist, um hohe Schweißnahtfestigkeiten zu erzielen. Die Auswertung der Schliffbilder bestätigt diese Erkenntnis, da bei einer Bauraumtemperatur von 150 °C Phasengrenzen zwischen den Strängen vorhanden sind (Bild 4). Die Phasengrenzen liegen sowohl bei einer Düsentemperatur von 430 °C als auch bei einer Düsentemperatur von 450 °C vor.

Diese Grenzlinien sind ein Zeichen dafür, dass die Wärmezufuhr zu niedrig gewesen ist und sich die Stränge nur unzureichend miteinander verbinden konnten. Damit lassen sich die geringen Schweißnahtfestigkeiten unter anderem auf eine unvollständige Schweißnahtausbildung zurückführen. Die Schweißnähte bei einer Bauraumtemperatur von 250 °C weisen keine Phasengrenzen auf und bestätigen die Bedeutung eines beheizten Bauraums für die resultierende Schweißnahtqualität im FDM Prozess.

Literatur

[1]   Additive Fertigungsverfahren Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibungen Berlin 2014.

[2]   Crump, S. S.: Apparatus and method for creating three-dimensional objects, U.S. Patent 5121329 A, 1992.

[3]   Kloke, A.: Untersuchung der Werkstoff-, Prozess- und Bauteileigenschaften beim Fused Deposition Modeling Verfahren. Dissertation, Universität Paderborn, Aachen 2016.

[4]   Kubi Sertoglu, Kubi: 3D Printing Industry.  OnLine: https://3dprintingindustry.com/news/stratasys-heated-build-chamber-for-3d-printer-patent-us6722872b1-set-to-expire-this-week-185012/https://3dprintingindustry.com/news/stratasys-heated-build-chamber-for-3d-printer-patent-us6722872b1-set-to-expire-this-week-185012/, [abgerufen  am 04.03.2021].

[5]   Schöppner, V./Schumacher, C./Guntermann, J.: Beurteilung der Schweißnahtfestigkeit verschiedener Kunststoffe im FDM-Prozess, Jahresmagazin Kunststofftechnik, 2017, S. 108–114.