Erweitertes Verständnis des Aufschmelzens und der Strömungsmechanismen in der Düse eines FFF-Druckers

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten; Professor Dr. Marc Daniel Leonhard von Kreutzbruck
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Messsysteme ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545960701

Additive Fertigungsverfahren sind eine relativ junge Fertigungstechnologie, die vor allen für die nahezu endlos realisierbare Komplexität bekannt ist. Zunächst in der Produktentwicklung zur Fertigung von Prototypen und kleineren Losgrößen eingesetzt, erhöhen zahlreiche Optimierungen der letzten Jahre die Attraktivität dieser Fertigungsverfahren im Hinblick auf Serienproduktionen. Das fused filament fabrication ist das am weitesten verbreitete Verfahren, das ein Kunststofffilament verwendet, aufschmilzt und über ein Portalsystem auf ein Druckbett ablegt. Wie auch bei anderen Fertigungsverfahren werden Modellierungen und Simulationen eingesetzt, um Ausschuss zu minimieren und Produktionsraten zu maximieren. Dies erfordert jedoch ein umfangreiches Verständnis über den gesamten Aufschmelz- und Strömungsprozess des Kunststoffs im Inneren der Düsen. Bestehende Aussagen zum Aufschmelz- und Fließverhalten wurden indirekt durch die Analyse erstarrter Filamentstränge gezogen oder die Schmelze durch eine Glasdüse betrachtet. Dies produziert jedoch Ergebnisse, die in Ihrer Gesamtheit nicht auf metallische Düsen übertragbar sind. In dem geplanten Vorhaben wird mit einem Versuchsaufbau eine in-situ-CT-Analyse der Materialextrusion durchgeführt. Dazu werden einem reinen Kunststofffilament Wolframpartikel hinzugefügt, die durch Wechselwirkung mit Röntgenstrahlung Aussagen über den Aufschmelz- und Strömungsprozess ermöglichen sollen. Im Rahmen von zwei verschiedenen Experimenten soll der Einfluss von Wolframpartikeln auf das Fließverhalten und das thermische Verhalten untersucht werden. Zur Darstellung des Kunststoffs im Rahmen der CT-Analyse sind feine und homogen verteilte Wolframpartikel notwendig, während für die Detektion der Partikel im Rahmen einer Particle Image Velocimetry höhere Partikeldurchmesser von Vorteil sind. In Kombination mit dem Versuchsaufbau, dessen Komponenten möglichst röntgentransparent ausgelegt sind, soll das Verständnis über das Materialverhalten im Prozess erweitert werden. Zusätzlich werden dadurch bisherige als auch zukünftige Modellvorstellungen in der Simulation mit realitätsnahen, experimentellen Versuchswerten verifizierbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen