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Die Energieeinbringung in Form von elektromagnetischer Strahlung in das Pulverbett beim selektiven Laserstrahlschmelzprozess von Kunststoffen wird maßgeblich durch das Absorptionsverhalten der Pulverwerkstoffe bestimmt. Aufgrund von Vielfachreflexionen an den einzelnen Pulverpartikeln in den Poren weisen Pulverwerkstoffe im Vergleich zu makroskopischen Festkörpern andere Absorptionseigenschaften auf. Im vorliegenden Beitrag wird daher ein geeigneter Messaufbau zur Bestimmung der optischen Materialeigenschaften von verschiedenen Pulverwerkstoffen vorgestellt. Mittels eines Ulbricht-Kugel-Messaufbaus wird der Reflexions-, der Transmissions- und der Absorptionsgrad von pulverförmigen Werkstoffen bei einer Wellenlänge von 10,6 µm eines CO2-Lasers und unterschiedlichen Schichtstärken ermittelt. Neben den Werkstoffen Polyamid 12 und Polyethylen im reinen Zustand werden Mischungen mit Additiven, wie beispielsweise Graphit, analysiert und verglichen. Durch die Beimischungen kann eine für den Schmelzprozess zu geringe Absorption des reinen Kunststoffes wie im Fall von Polyethylen-Pulver bei einer Wellenlänge von 10,6 µm gezielt erhöht werden, wodurch die Entwicklung neuer Pulverwerkstoffe erleichtert wird.
Im Rahmen dieses Beitrags wird das Schmelzeemulgieren als Verfahren zur Herstel-lung von Polymermikropartikeln vorgestellt. In diesem Prozess wird zunächst ein Polymergranulat in einer kontinuierlichen Phase in Gegenwart geeigneter Additive in einem Rührbehälter aufgeschmolzen, die Rohemulsion in einer Rotor-Stator-Einheit feinemulgiert und anschließend zu einer Suspension abgekühlt. Der Einfluss von Prozessparametern und Systemzusam-mensetzung auf das Emulgierergebnis wird diskutiert und die Anwendbarkeit des Verfahrens für polymere Mikropartikeln anhand von Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE-HD) dargestellt. Die erhaltenen Suspensionen werden zur Überführung in Pulverform sprühgetrocknet und die Fließeigenschaften des Pulvers analysiert. Durch trockenes Beschichten mit pyrogener Kieselsäure kann die Fließfähigkeit der erhaltenen Partikeln weiter verbessert werden. Das Verfahren bietet somit einen neuen Zugang zur Herstellung neuer Ausgangsmaterialien für die Additive Fertigung.
Neue Prozessstrategien zur Herstellung von Multi- Material-Bauteilen und Gradientenwerkstoffen
(2012)
Das additive Fertigungsverfahren, dem gemeinhin die größten Potentiale zugesprochen werden, ist das Laserstrahlschmelzen im Pulverbett von Kunststoffen (LSS-K) und von Metallen (LSS-M). Wie bei anderen Techniken der additiven Fertigung werden Bauteile direkt aus CAD-Dateien ohne zusätzliche Werkzeuge bei enormer konstruktiver Freiheit gefertigt. Die resultierenden Werkstoffeigenschaften sind vergleichbar mit konventionelleren Prozessrouten wie etwa dem Spritzgießen thermoplastischer Polymere beziehungsweise auf der Seite der Metalle dem Schmieden oder Gießen. Derzeit wird der Einsatz des LSS zur Fertigung von Endprodukten in kleinen Stückzahlen erschwert von nicht ausreichender Prozessstabilität und, insbesondere bei Kunststoffen, von der eingeschränkten Werkstoffauswahl. Bisher werden für beide Werkstoffklassen Bauteile aus jeweils einem einzigen Ausgangsmaterial hergestellt. Näherungsweise erzeugt LSS also einheitliche Materialeigenschaften über das gesamte Bauteil hinweg. Ein Ansatz, der in den Teilprojekten A5 und B6 des Sonderforschungsbereichs 814 verfolgt wird, ist die Realisierung von Multi-Material-Bauteilen mittels LSS-K beziehungsweise LSS-M.
Mittels des entwickelten additiven Fertigungsprozesses des simultanen, intensitätsselektiven Laserstrahlschmelzens lassen sich Werkstoffverbunde bestehend aus unterschiedlichen Polymerwerkstoffen mit hohen Bauteilfestigkeiten realisieren. Die zukünftig realisierbaren Werkstoffverbunde können dabei durch eine örtlich variable Ausnutzung der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften die hinsichtlich lokal definierter Belastungsprofile gestellten Anforderungen an komplexe Multi-Material-Bauteile erfüllen. Dadurch lassen sich neue Anwendungsfelder für die additive Fertigung von Werkstoffverbunden erschließen.