Prozess- und Werkstoffcharakterisierung von im ARBURG Kunststoff-Freiform-Verfahren hergestellten, in situ geschäumten Strukturen

Die Erzeugung von Poren in additiv gefertigten Strukturen kann unter dem Aspekt des Leichtbaus oder der Funktionalisierung von Porenoberflächen durchaus erwünscht sein. Die gezielte Vergrößerung der Abstände zwischen den Druckbahnen und damit die Erzeugung von Hohlräumen stellt dabei einen gängigen Ansatz zur Erzeugung von Poren dar. Ein weiterer, eher neuer Ansatz ist das in situ Schäumen additiv gefertigter Strukturen, also das Schäumen des Kunststoffs während des additiven Fertigungsprozesses. Dieser Herstellungsansatz ist in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung gerückt.
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Im Rahmen dieser Arbeit wird erstmals das in situ Schäumen mit dem ARBURG Kunststoff-Freiform-Verfahren zur Herstellung von additiv gefertigten geschäumten Strukturen untersucht. Dabei wird der Kunststoff Acrylnitril-Butadien-Styrol und ein Masterbatch mit endothermem chemischen Treibmittel verwendet. Neben den additiv gefertigten geschäumten Strukturen werden auch additiv gefertigte nicht geschäumte Strukturen charakterisiert, sodass der Einfluss des Schäumens vergleichend herausgearbeitet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein Prozessverständnis für das in situ Schäumen aufgebaut, die Volumenfüllung von additiv gefertigten nicht geschäumten sowie geschäumten Strukturen umfassend untersucht, darauf aufbauend ein optimaler Füllgrad für diese Strukturen ermittelt und abschließend ein analytisches Modell der Volumenfüllung beschrieben.
Zur umfassenden Charakterisierung der mikro- und makrostrukturellen Eigenschaften aller untersuchten Probekörper werden verschiedene Charakterisierungsmethoden eingesetzt. So erfolgt die Prozesscharakterisierung mittels Hochgeschwindigkeits-Bildgebung und Volumenbestimmung kleinster Kunststoffmengen, während die Werkstoffcharakterisierung mittels Plastographie, Rasterelektronenmikroskopie sowie Bestimmung der Oberflächenrauheit und Dichte der additiv gefertigten Strukturen erfolgt.
Die Volumenbestimmung kleinster Kunststoffmengen zeigt, dass der Aufschäumgrad beim in situ Schäumen mit dem ARBURG Kunststoff-Freiform-Verfahren mit steigender Düsentemperatur und steigendem Masterbatchanteil abnimmt. Dies kann auf die Kombination von Kunststoff, Masterbatch und enthaltenem Treibmittel zurückgeführt werden und ist eine Folge destabilisierender Einflüsse auf die Schaumstruktur. Dagegen ist kein Einfluss des Volumenstroms auf den Aufschäumgrad festzustellen. Dies erleichtert die Prozessführung und kann somit als Vorteil des in situ Schäumen mit dem ARBURG Kunststoff-Freiform-Verfahren angesehen werden.
Anhand der Oberflächenrauheit der additiv gefertigten Strukturen lässt sich die Volumenfüllung in drei Bereiche einteilen, die Unterfüllung, die optimale Füllung und die Überfüllung. Aus verfahrenstechnischer Sicht ist die optimale Füllung am interessantesten, da hier die vorgegebene Form und das Gesamtvolumen eines Bauteils erhalten bleiben, während der Füllgrad dieser Strukturen den dabei höchstmöglichen Wert erreicht. Im Bereich der optimalen Füllung nimmt die Größe der prozessbedingten Poren sowie der Schaumblasen mit zunehmender Volumenfüllung ab. Dementsprechend muss für additiv gefertigte geschäumte Strukturen ein Kompromiss zwischen beiden Formen der Porosität gefunden werden. Anhand der Volumenbestimmung kleinster Kunststoffmengen und der Dichte additiv gefertigter Strukturen zeigt sich auch, dass das volle Potenzial des Aufschäumgrads in der additiven Fertigung nicht ausgenutzt werden kann, da diese einen destabilisierenden Einfluss auf die Schaumstruktur ausübt.
Ein erstmals aufgestelltes analytisches Modell der Volumenfüllung für das AKF-Verfahren kann dabei helfen, gewünschte Füllgrade für unbekannte Kombinationen von Prozessparametern zu ermitteln und darauf aufbauend eine weitere Optimierung der Strukturen vorzunehmen.

The creation of pores in additively manufactured structures can be desirable in terms of lightweight construction or the functionalisation of pore surfaces. The controlled increase of the gaps between the tracks and thus the creation of voids is a common approach to creating pores. Another, rather new approach is the in situ foaming of additively manufactured structures, i.~e. the foaming of the plastic during the additive manufacturing process. This manufacturing approach has moved into the focus of research in recent years.
This thesis is the first to investigate the in situ foaming using the ARBURG Plastic Freeform process for the production of additively manufactured foamed structures. ... mehrThe plastic acrylonitrile-butadiene-styrene and a masterbatch with an endothermic chemical blowing agent are used. In addition to the additively manufactured foamed structures, additively manufactured non-foamed structures are also characterised so that the influence of foaming can be determined comparatively. In this thesis, an understanding of the process of in situ foaming is established, the volume filling of additively manufactured non-foamed structures and foamed structures is comprehensively investigated, an optimum filling degree for these structures is determined and finally an analytical model of volume filling is described.
Various characterisation methods are used to comprehensively characterise the micro- and macrostructural properties of all specimens. Process characterisation is carried out using high-speed imaging and volume determination of tiny amounts of plastic, while material characterisation is carried out using plastography, scanning electron microscopy and determination of the surface roughness and density of the additively manufactured structures.
The volume determination of tiny amounts of plastic reveals that the degree of foaming decreases with increasing nozzle temperature and increasing masterbatch content during in situ foaming with the ARBURG Plastic Freeform process. This can be attributed to the combination of plastic, masterbatch and blowing agent and is a result of destabilising influences on the foam structure. In contrast, the volume flow has no influence on the degree of foaming. This facilitates process control and can therefore be seen as an advantage of in situ foaming with the ARBURG Plastic Freeform process.
Based on the surface roughness of the additively manufactured structures, volume filling can be divided into three regions: underfilling, optimal filling and overfilling. From a process engineering point of view, optimal filling is the most interesting, as the specified shape and the total volume of a component are retained, while the degree of filling of these structures reaches the highest possible value. In the region of optimal filling, the size of the process-related pores and the foam bubbles decreases with increasing volume filling. Accordingly, a compromise must be found between the two forms of porosity for additively manufactured foamed structures. Determining the volume of tiny amounts of plastic and the density of additively manufactured structures also reveals that the full potential of the degree of foaming cannot be exploited in additive manufacturing, as this exert a destabilising influence on the foam structure.
A analytical model of volume filling for the AKF process, which has been set up for the first time, can help to determine desired degrees of filling for unknown combinations of process parameters and, based on this, to further optimise the structures.