Heizbett mit unabhägig voneinander temperierbaren Heizzonen. (Bildquelle: Roman Thiel)

Heizbett mit unabhägig voneinander temperierbaren Heizzonen. (Bildquelle: Roman Thiel)

Bauteile aus generativen Fertigungsverfahren werden schichtweise erstellt. Beim FLM-Verfahren erfolgt dies durch Ablage eines plastifizierten Kunststoffstranges auf die zuvor gefertigte, erstarrte Lage. Durch die Orientierung der Molekülketten vernetzen die Schichten untereinander nicht. Der Haftmechanismus beruht überwiegend auf Kohäsion durch Nebenvalenzbindungen, wobei die von der Schmelze eingebrachte thermische Energie Moleküldiffusion in den Randschichten ermöglicht. Dieser Vorgang hängt von der Temperaturdifferenz der Schichten sowie der Zeit bis zum vollständigen Erstarren der Schmelze ab. Eine höhere Temperatur im Bauraum begünstigt die Moleküldiffusion und steigert die mechanische Stabilität der Bauteile, wobei der Einfluss in Z-Richtung besonders ausgeprägt ist.

Entwicklung und Implementierung

Schematische Aufteilung der Zonenanordnung am Prototyp des Heizbettes. (Bildquelle: Roman Thiel)

Schematische Aufteilung der Zonenanordnung am Prototyp des Heizbettes. (Bildquelle: Roman Thiel)

Der Prototyp des in Zusammenarbeit des Instituts für Kunststofftechnik Darmstadt (IKD), Darmstadt, mit der Conspir3D, Reinheim, entwickelten Heizbettes wurde für die Untersuchungen in eine umgebaute Versuchsanlage des Typs X400 von German RepRap montiert. Die Steuerung der radial angeordneten, ringförmigen Heizzonen wird über eine angepasste Version der Marlin 2.0 Firmware mit einer Relaisschaltung umgesetzt. Generell könnte dieser Umbau, abhängig von der Fläche des Heizbettes und der Anzahl der Heizzonen, an den meisten FLM-Anlagen eingesetzt werden.

Validierung der Heizzonenregelung

Zur Verifizierung und Quantifizierung der Ergebnisse wurden Materialprüfungen im Dreipunktbiegeversuch nach DIN EN ISO 178 und im Charpy-Schlagversuch nach DIN EN ISO 179 durchgeführt. Hierfür wurden Pro Material vier Probensätze (à 10 Probekörper) gefertigt. Die Referenzproben wurden herkömmlich in XY-Lage („liegend“) und in XZ-Lage („stehend“) auf einem ganzflächig beheizten Untergrund gedruckt. Um die Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften in Z-Richtung ermitteln zu können wurden zwei weitere Serien in XZ-Lage mit der möglichen Prozessführung des neuen Heizbettes gefertigt. Hieran wurden die Veränderung der Isotropie der Bauteileigenschaften ermittelt. Eine Probenserie bildet dabei die Energiesparlösung ab, denn es wurde nur in der innersten Zone des Heizbettes gefertigt und temperiert. Wenn es, wie in diesem Fall, die Geometrie des Bauteils erlaubt nur eine Heizzone einzuschalten, so werden bis zu 75 Prozent der Gesamtheizleistung des Bettes eingespart.

Sequenziell gefertigter Probensatz aus PA6/66-CF20 als Referenzproben in XZ-Orientierung. (Bildquelle: Roman Thiel)

Sequenziell gefertigter Probensatz aus PA6/66-CF20 als Referenzproben in XZ-Orientierung. (Bildquelle: Roman Thiel)

Bei der vierten Serie wurden die Proben ebenfalls nur in der inneren Zone gefertigt, jedoch die beiden umgebenen Zonen um 40 Kelvin über die Datenblattangabe zur Druckbetttemperatur aufgeheizt. Die in den Bauraum eingebrachte thermische Energie sollte so die Schichthaftung der Bauteile verbessern. Die Lage der Proben zum Randbereich der aktiven Heizzone beträgt mindestens 50 mm. Die genaue Lage jeder Probe im Bauraum wurde dokumentiert. Die Fertigung der Probekörper erfolgt sequentiell, wobei die Prüfkörper nacheinander jeweils komplett gefertigt werden.

Die Teststäbe wurden unter anderem aus Filamenten von Clariant gefertigt. Dabei handelt es sich um die faserverstärkten Copolyamide PA6/66-GF20 und PA6/66-CF20 mit jeweils 20 Prozent Glasfaser-/Kohlenstofffaseranteil, sowie einem Polypropylen. Alle Filamente sind entweder durch die Kohlenstofffasern oder Pigmente schwarz gefärbt, um Einflüsse durch unterschiedliche Infrarotabsorption von der Abstrahlung des Bettes gering zu halten.

Flächige Temperierung

Messungen mit Thermistor-Ketten über einen Zeitraum von 60 Minuten zeigten die Ausbildung von zwei Konvektionszonen im Bauraum, wobei das Heizbett und die darunterliegende Aufhängung als Barriere wirken. Bei einer Heizbetttemperatur von 150 °C auf allen Zonen stellt sich am Ende der Messreihe im oberen Bereich eine Temperatur von bis zu 57 °C ein, wobei alle Messstellen unterhalb des Heizbettes maximal 35 °C erreichen. Das thermische Gleichgewicht ist nach einer Stunde nicht erreicht, der Temperaturverlauf nähert sich jedoch einem Grenzwert. Alle Proben wurden mit einer Vorwärmzeit des Heizbettes von 60 Minuten gefertigt.

Die Ergebnisse des PA6/66-CF20 zeigen im Dreipunktbiegeversuch zwischen den Referenzproben einen Isotropiefaktor von 44,6 Prozent in Abhängigkeit der Fertigungsorientierung. Proben mit XZ-Lage („stehend“) erreichen bei konventioneller Durchbiegung dementsprechend nur 44,6 Prozent der Biegespannung von 29,9 N/mm² im Vergleich zu Proben aus XY-Lage („liegend“) mit 67,1 N/mm².

Zonentemperierung

Dreipunktbiegeversuch einer XZ-Probe über der konventionellen Durchbiegung.

Dreipunktbiegeversuch einer XZ-Probe über der konventionellen Durchbiegung.

Ist nur Zone 1 temperiert, lässt sich die konventionelle Biegespannung um 9,67 Prozent auf 32,8 N/mm² steigern. Obwohl die Gesamtheizleistung einer aktiven Zone etwa 60 Prozent geringer ist als beim ursprünglich installierten Heizbett der X400-Versuchsanlage, überwiegt der positive Einfluss durch eine höhere Flächenleistung. Der Prototyp erreicht eine Flächenleistung von über 5000 W/m², was etwa 150 Prozent der ursprünglichen Heizbettleistung entspricht.

Ergebnisse des Dreipunktbiegeversuchs der aus PA6/66-CF20 gefertigten Proben. (Bildquelle: Roman Thiel)

Ergebnisse des Dreipunktbiegeversuchs der aus PA6/66-CF20 gefertigten Proben. (Bildquelle: Roman Thiel)

Werden die umliegenden Zonen 2 und 3 auf 120 °C (entspricht 40 K über Datenblattangabe) temperiert, wird eine Steigerung der konventionellen Biegespannung um 49,6 Prozent auf 44,7 N/mm² im Vergleich zu den Referenzproben im XZ-Orientierung erreicht. Die Probekörper mit dieser Prozessführung besitzen einen Isotropiefaktor von 66,7 Prozent bezogen auf die XY-Referenzproben.

Grafische Darstellung der Ergebnisse des Dreipunktbiegeversuchs mit Proben aus PA6/PA66-CF20. (Bildquelle: Roman Thiel)

Grafische Darstellung der Ergebnisse des Dreipunktbiegeversuchs mit Proben aus PA6/PA66-CF20. (Bildquelle: Roman Thiel)

Die Ergebnisse des Dreipunktbiegeversuchs des Materials PA6/66-GF20 bestätigen diese Ergebnisse. Die Isotropie zwischen den XY- und XZ-Referenzproben beträgt 43,0 Prozent für  von 55,0 N/mm² und  von 22,3 N/mm². Im Energiesparmodus (nur Zone 1 aktiv) wird eine konventionelle Biegespannung von 26,2 N/mm² erreicht, was mit einer Erhöhung des Isotropiegerades um 17,1 Prozent einhergeht. Wird die Temperatur im Bauraum durch Aufheizen von Zone 2 und 3 ohne Bauteilkontakt auf 120 °C erhöht, lässt sich die Bauteilisotropie (um 28,7 Prozent) auf 55,3 Prozent gegenüber der Referenzproben in XY-Orientierung steigern. Die gemessene konventionelle Biegespannung beträgt dabei 28,7 N/mm². Die Ergebnisse entsprechen den Mittelwerten der 10 gemessenen Proben.

Die Ergebnisse aus dem Charpy-Schlagversuch sind aufgrund größerer Streuung und Standardabweichungen weniger signifikant, bestätigen jedoch die Trends. Die Dokumentation und Auswertung der Messergebnisse befindet sich auf der Homepage von Conspir 3D.

Mit Potential

Typisches Versagensbild zwischen zwei Schichten für Proben mit XZ-Orientierung. Bildquelle: Roman Thiel)

Typisches Versagensbild zwischen zwei Schichten für Proben mit XZ-Orientierung. Bildquelle: Roman Thiel)

Die Ergebnisse zeigen in beiden neuen Prozessführungen die Vorzüge eines Mehrzonenheizbettes für die additive Fertigung im FLM-Verfahren. Ein Verbessern der Materialkennwerte kann, abhängig von Material und Materialprüfung, in Z-Orientierung von bis zu 49,7 Prozent nachgewiesen werden. Das Steigern der mechanischen Bauteilqualität geschieht jedoch auf Kosten von eingebrachter elektrischer Energie. Wird eine Energieersparnis gefordert, so bleiben Zonen ohne Bauteilkontakt unbeheizt.

 

 

Über den Autor

Roman Thiel

ist Werkstudent bei Conspir3D, Reinheim, und Absolvent der Kunststofftechnik an der Hochschule Darmstadt.