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Projekt SimBaV-LS

Projektname:

Simulationsbasierte Untersuchung von Bauteilverzug beim Laser-Sintern von Kunststoffen zur Entwicklung von prozessspezifischen Reduzierungsmaßnahmen

Förderstelle:

AIF (Industrielle Gemeinschaftsforschung IGF, 1.3.2014 - 31.5.2016)

Projektpartner:

Assoziierte Partner:

Beschreibung:

Das Projekt SimBaV beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung eines Simulationsansatzes zur Vorhersage von Bauteilverzug beim Laser-Sintern von Kunstoffen. Dabei werden teilkristalline Thermoplaste Polyamid 12 und Polyamid 11 untersucht.

Der Projektpartner Universität Duisburg-Essen beschäftigt sich mit anlagetechnischen Fragestellungen, wie der Charakterisierung der Oberflächentemperaturen mittels Thermografie, der Analyse des Abkühlverhaltens und der experimentellen Charakterisierung des Verzugsverhaltens.

ISEMP beschäftigt sich innerhalb des Projekts mit der Entwicklung eines Simulationsansatzes im makroskopischen Bereich mithilfe der Methode der finiten Elemente.

Die gewonnen Erkenntnisse werden dazu genutzt um sowohl das Prozessverständnis zu stärken, aber insbesondere auch um gezielte Verzugsreduzierungsmaßnahmen abzuleiten.

Aktueller Stand:

Ausgewählte Ergebnisse:

Vernetzung: Im Vergleich zur Simulation von metallbasierten, additiven Fertigungsverfahren muss beim Laser-Sintern der thermische Verlauf im gesamten Bauraum berücksichtigt werden, um das Kristallisationsverhalten innerhalb der Bauteile korrekt abzubilden. Aus diesem Grund wurde der bestehende Vernetzer weiterentwickelt um den gesamten Bauraum zu vernetzen. An die äußeren Ränder des Netzes können so die jeweiligen Randbedingungen angelegt werden

Abbildung: FE-Netz von Probekörper auf Isolationsschicht (übriges umgebendes Pulver ist zur Darstellung ausgeblendet)

 

Materialanalyse: Um den Prozess möglichst realitätsnah abzubilden, wurden umfangreiche Materialanalysen durchgeführt. In der nachfolgenden Abbildung ist beispielhaft die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit dargestellt. Mit sinkender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit beim Übergang vom amorphen in den kristallinen Bereich stufenartig zu.

Abbildung: Wärmeleitfähigkeit von Polyamid 12 [1]

 

 Simulation: In der nachfolgenden Abbildung ist der Ablauf der Simulation schematisch dargestellt. Analog zum Prozess wird der alternierende Prozess aus Schichtauftrag und Belichtung simuliert. Zur Einsparung von Rechenzeit werden verschiedene Vereinfachungen, wie die gleichzeitige Belichtung gesamter Schichten oder der instantane Pulverauftrag durch Aktivierung neuer Schichten, gemacht.

 Abbildung: Schematischer Abblauf der Simulation

Publikationen im Rahmen des Projektes:

Neugebauer, Fabian und Ploshikhin, Vasily: FEM simulation of temperature and crystallization in laser sintering of polyamide 12, In V. Ploshikhin, F. Neugebauer (Eds.), Editor, MSTAM 2014 - Proceedings of the 1st International Symposium Materials Science and Technology of Additive Manufacturing Band 308 aus DVS-Berichte , Seite 17-23, DVS Media GmbH, Düsseldorf, Mai 2014

Neugebauer, Fabian;  Müller, Niels;  Ploshikhin, Vasily;  Thiel, Stefan;  Ambrosy, Janick und Witt, Gerd: Temperature effects on tensile properties of laser sintered polyamide 12 Materials Testing 57(7-8), 602-608 (2015)

Ambrosy, J.; Witt, G.; Neugebauer, F.: Untersuchung von Bauteilverzug beim Laser-Sintern von Polyamid 12. In: Digital Proceedings of the Rapid.Tech 2015, Erfurt, 2015.

Neugebauer, F., Ploshikhin, V., Ambrosy, J., Witt, G.: Isothermal and non-isothermal crystallization kinetics of polyamide 12 used in laser-sintering, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, DOI: 10.1007/s10973-015-5214-8

Neugebauer, F., Ploshikhin, V.: Towards Simulation of Warpage in Laser Sintering of Semi-crystalline Polymers, Proceedings of Fraunhofer DDMC 2016

Witt, G., Ambrosy, J.,Neugebauer, F.: Untersuchung von Bauteilverzug und Kristallisation beim Laser-Sintern von Polyamid 12, in Witt,G., Wegner, A., Sehrt, J.T.: Neue Entwicklungen in der Additiven Fertigung , Springer Berlin Heidelberg (2015), pp. 79-91, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-662-48473-9_6