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- Herausgeber: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2022
Pulverbettbasierte additive Fertigung mit Polymeren (PBF-P) besitzt eine Sonderstellung in der Welt des 3D-Drucks. Zum einen erfolgt die Fertigung der Bauteile ohne Stützstrukturen, und zum anderen ist das Eigenschaftsprofi l der Bauteile ähnlich dem von Serienbauteilen, wie sie auch aus dem Spritzguss bekannt sind, mit jedoch deutlichen Vorteilen bei der Bauteilkomplexität.
Beim Lasersintern (LS) erfolgt die Verschmelzung einzelner Bauteilschichten mithilfe geeigneter Laserstrahlung. LS-Bauteile haben sich in den letzten Jahren einen breiten Einsatz in industriellen Anwendungen erobert, sodass man heute schon von einer etablierten Technologie sprechen kann. Dennoch sind für LS zukünftig noch viele Hürden zu überwinden, um sich vom Status der Nischentechnologie zu befreien. Materialvielfalt und industriekonforme, qualitätssichernde Maßnahmen sind hier als Herausforderungen zu nennen.
Die zweite Auflage dieses Buchs beleuchtet dafür den aktuellen Stand der Technik bezüglich Maschinentechnologie und Prozessablauf sowie speziell die Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe. Darüber hinaus werden folgende Themen vorgestellt:
Implementierung von LS in industrielle Prozessketten
Stand der internationalen Normung
Neuerungen im Bereich LS-Materialien
Eigenschaften von LS-Bauteilen
ausgewählte Anwendungsbeispiele
Die zweite Auflage ist durchgehend aktualisiert, insbesondere die Material- und Maschinenangaben wurden umfassend überarbeitet.
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Seitenzahl: 369
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Manfred Schmid
Lasersintern (LS) mit Kunststoffen
Technologie, Prozesse und Werkstoffe
2., aktualisierte und erweiterte Auflage
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© 2023 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.deLektorat: Mark SmithHerstellung: Cornelia SpeckmaierCoverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, MünchenTitelbild: mit freundlicher Genehmigung Rob Kleijnen, mit freundlicher Genehmigung irpd AGCoverrealisierung: Max KostopoulosSatz: le-tex publishing services GmbH, Leipzig
ISBN: 978-3-446-46664-7E-Book-ISBN: 978-3-446-47013-2E-Pub-ISBN: 978-3-446-47622-6
Vorwort zur ersten Auflage
Die Geschichte der additiven Fertigung scheint sehr jung, ist jedoch nun bereits mehr als hundert Jahre alt. Die erste Patentanmeldung gab es in 1882 von J. E. Blanther, welcher ein Verfahren anmeldete zum Herstellen von topografischen Konturmappen, indem ausgeschnittene Wachsplatten aufeinandergelegt wurden.
Dies ist eine erstaunliche Tatsache, nachdem diese schichtweise arbeitenden Verfahren aktuell einen immensen Hype durchlaufen, welcher nicht etwa dadurch ausgelöst wurde, dass grundlegend neuartige Technologien entwickelt wurden. Hintergrund ist vielmehr, dass wesentliche Patente ausgelaufen sind, die es ermöglichen, mit einfachsten Mitteln ein Strangablegeverfahren nachzubauen, welches für die Generierung dreidimensionaler Körper genutzt werden kann. Dieser Hype schaffte es jedoch in kürzester Zeit, eine immense Eigendynamik zu entwickeln. Die Nutzerzentralisierung und die neuen Freiheitsgrade der Technologien treffen hier stark auf den heutigen Zeitgeist der DIY-Kultur und so ist es nicht erstaunlich, dass es Abnehmer für „Fabber“ und „3D-Druck-Selfies“ gibt. Im Umkehrschluss wurden damit nun doch auch verschiedene neuartige Technologien über die gesamte Prozesskette hinweg entwickelt. Als ich mich während meines Studiums Anfang 2000 erstmalig mit dem Thema befasste, war der Stellenwert von Schichtbauverfahren lediglich im Bereich des Prototypenbaus hoch. Die Technologien haben sich zwar seither nicht grundlegend verändert, aber heute ist der Markt von individuellen Produkten und Kleinserien in vielen Branchen massiv gestiegen. Demgegenüber steigen etablierte Druckerhersteller und viele innovative Start-ups in dieses Feld ein. So finden additive Fertigungsverfahren bereits heute in ungeahntem Maße Einsatz, sei es für die Herstellung von individuellen Spielzeugen bis hin zu hoch belastbaren Prototypenkomponenten im Antriebsstrang. Zukünftig sind unterschiedlichste Szenarien der Fertigung denkbar und eine dezentralisierte Produktion „on demand“ wirkt greifbar. Dies generiert ein Spannungsfeld aus hohen technologischen Erwartungen, Risiken und möglichen Potenzialen. Eine realistische Einschätzung ist unabhängig von der Begeisterung, die man verspürt, nachdem man seinen ersten additiven Fertigungsprozess gesehen hat und die damit generierten Bauteile in der Hand hält. Eine eigenständige Forschung an dem Thema wird damit unabdingbar.
Bei der BMW AG wurde bereits 1989 die erste SLA-Anlage beauftragt. Damit war die BMW AG der erste Kunde eines heute weltweit etablierten Lasersinteranlagenherstellers aus dem Münchner Süden. Im Laufe der Jahre hat sich im Forschungs- und Innovationszentrum (FIZ) aus den ersten Anlagen für den Modellbau ein „Center of Competence“ formiert, in welchem heute vielfältige Praxis-, aber auch Grundlagenforschung betrieben wird. Neben immer hochwertigeren Prototypen für die Erprobung und Absicherung der Fahrzeugprojekte werden hier Werkstoffe und Prozesse entwickelt, die es ermöglichen, die Potenziale des Schichtbaus ideal zu nutzen, um hier beispielsweise auch individuell an die Mitarbeiter angepasste Produktionshilfsmittel zu erstellen.
Dabei wird weniger über die in den Medien besprochenen 3D-Druckverfahren diskutiert, sondern es geht um hochkomplexe Werkzeugmaschinen, auf denen die Produktion von morgen stattfinden soll. Eine dieser Technologien ist das Lasersintern – ein strahlbasiertes drucklos arbeitendes Fertigungsverfahren. Mit einem Sinterprozess hat es lediglich die lange Verweilzeit der generierten Schmelze einer Bauteilkontur bei hoher Temperatur gemein. Hierin jedoch liegt auch einer der Kernprozesse des Lasersinterns, der schon in mannigfaltiger Weise untersucht wurde. Als ich mich im Rahmen meiner eigenen Dissertation mit der Zeit- und Temperaturabhängigkeit dieses Zwei-Phasen-Mischgebiets, in welchem Schmelze und Festkörper scharf abgegrenzt nebeneinander vorliegen, befasste, hatte ich die Chance, in eines der vielen interdisziplinären Forschungsfelder der additiven Fertigung einzusteigen, und bin nach wie vor begeistert von diesem Themenfeld. Wer sich intensiv mit dem Thema Lasersintern befassen möchte, wird in den meisten sehr allgemein gehaltenen Büchern zu additiven Fertigungsverfahren nicht fündig werden. Da sich die pulverbettbasierten Technologien jedoch zu den mitunter wichtigsten additiven Fertigungsverfahren etabliert haben, ist es essenziell, auch Ergebnisse der Grundlagenforschung darzustellen und auf den Praxiseinsatz zu transferieren, um beispielsweise als Dienstleister qualitativ hochwertige Teile wirtschaftlich darstellen zu können. Mit dem vorliegenden Buch von Manfred Schmid, einem der anerkannten Spezialisten im Lasersintern, soll genau diese Tiefe gegeben werden, ohne dabei den Nutzen für den Anwender aus den Augen zu verlieren.
Mai 2015
Dr.-Ing. Dominik Rietzel
Vorwort zur zweiten Auflage
Lasersintern hat sich im Reigen der additiven Fertigungsverfahren oder, wie es oft bildlicher ausgedrückt wird, bei den 3D-Druckverfahren im letzten Jahrzehnt eine führende Rolle erarbeitet. Dies gilt sowohl für die Metalle, als auch für die Kunststoffe, die in diesem Buch im Fokus stehen.
Zum einen erzeugt das Lasersintern Bauteile, die von den Eigenschaften am nächsten zu „klassischer“ Thermoplast-Verarbeitung liegen. Zum anderen bietet es als Verfahren ohne jede Art von Stützstrukturen die idealen Voraussetzungen für die freie Bauteilgestaltung und unterstützt damit die Wende von werkzeuggebundenem Design zum funktionsgetriebenem Design eines Bauteils. Diese Freiheit des Designs hält immer mehr Einzug in die industrielle Fertigung für spezialisierte Bauteile mit hoher Funktionsintegration oder hohem Individualisierungsgrad bis hin zum Einzelstück.
Ein Beispiel für die Funktionsintegration ist die Fertigung von Greifersystemen, bei denen bis zu 100 Einzelteile wie Ventile, Federn, Schläuche und die Greifwerkzeuge in ein einziges lasergesintertes Bauteil integriert werden können. Abgesehen von dem Entfall der Montage wiegt das so gefertigte Werkzeug nur einen Bruchteil und ermöglich damit eine signifikante Reduzierung der Kosten im Lebenszyklus des Bauteils durch schnellere Bewegung des Greifers bei gleichzeitig geringerem Energieverbrauch. Der hohe Individualisierungsgrad kommt insbesondere auch bei Anwendungen rund um den Menschen zum Einsatz, sei es die Fertigung von angepassten Orthesen und Prothesen oder von Bohrschablonen für Operationen. Doch es muss nicht immer hochtechnisierte Medizin sein, sondern auch die Fertigung von lasergesinterten Einlegesohlen ist bereits heute Realität.
Die erste Auflage des Buches „Selektives Lasersintern (SLS) mit Kunststoffen – Technologie, Prozesse und Werkstoffe“ ist zum absoluten Standardwerk für System- und Materialhersteller, Anwender und die Forschung geworden. Dies liegt daran, dass auch einem Neuling im Bereich der additiven Fertigung der Einstieg leicht fällt und an der Detailtiefe und fachlichen Präzision, in der Manfred Schmid es schafft, das hochkomplexe Zusammenspiel von Werkstoff und Prozess zu erläutern, das auf vollkommen anderen Zeitskalen abläuft als jede andere Kunststoffverarbeitung. Dass gerade diese langen Zeitskalen eine besondere Belastung und damit Herausforderung für die Werkstoffe darstellen, ist einer der Gründe, warum die Auswahl an unterschiedlichen Kunststoffen auch nach 30 Jahren Lasersintern noch immer eingeschränkt ist. Um diese Problematik zu überwinden, arbeitet die chemische Industrie mit Nachdruck an angepassten Kunststoffen und die Systemhersteller an der Beschleunigung von Prozessen, zum Beispiel durch den gleichzeitigen Einsatz vieler Laserquellen.
Möge diese zweite Auflage einer neuen Generation von Technikern, die in dem Bereich des Lasersinterns von Kunststoffen tätig sind, eine so hilfreiche, lehrreiche und spannende Lektüre wie die erste Auflage sein und Veteranen dieser Technologie wie mir neue Impulse geben.
August 2022
Dipl. Phys. Peter Keller
Dr. Manfred Schmid startete seine berufliche Karriere mit einer Ausbildung zum Chemielaboranten bei der Metzeler Kautschuk AG in München. Nach dem Abitur auf dem zweiten Bildungsweg folgte ein Chemiestudium an der Universität in Bayreuth mit Promotion im Bereich Makromolekulare Chemie. Ein Thema zu flüssigkristallinen Polyurethanen unter der Anleitung von Prof. Dr. C. D. Eisenbach wurde von ihm bearbeitet.
Nach dem Studium wechselte er in die Schweiz, und es folgten 17 Jahre mit verschieden Stationen in der Industrie im Bereich Polymerforschung, und -produktion sowie Materialprüfung für technische Thermoplaste und Polymeranalytik. Polyamide und Biopolymere standen im Fokus der verschiedenen Tätigkeiten.
Seit etwa dreizehn Jahren leitet er den Forschungsbereich für Lasersintern (LS) bei der Inspire AG. Die Inspire AG ist das schweizerische Kompetenzzentrum für Produktionstechnik. Es fungiert als Transferinstitut zwischen den Hochschulen und der Schweizer Industrie.
Die Schwerpunkte seiner aktuellen Tätigkeit liegen im Bereich neue Polymersysteme für den LS-Prozess, der analytischen Bewertung von LS-Pulvern hinsichtlich ihrer spezifischen Eigenschaftsprofile und der LS-Prozessentwicklung. Er betreut mehrere Mitarbeiter und hat eine Vielzahl von unterschiedlichsten Forschungsprojekten in diesem Umfeld geleitet. Eine Reihe von häufig zitierten Originalpublikationen ist daraus entstanden.
Die Idee zum vorliegenden Buch entstand aus mehreren Schulungen, die im Auftrag großer Industriefirmen bei Inspire AG zum Thema „Additive Manufacturing“ durchgeführt wurden.
Danksagung
Der Autor bedankt sich ganz außerordentlich bei Frau Gabriele Fruhmann für die Erstellung einzelner Abschnitte des Buchs vor allem zu den Schwerpunkten industrielle Integration der LS-Technologie (Abschnitt 3.2) und Polyamid 11 (PA11) (Abschnitt 6.1.2), sowie für Ihre vielen wertvollen Hinweise zur Überarbeitung des gesamten Texts. Ohne Ihre Unterstützung und Ihre hochgeschätzten Beiträge wäre die zweite Auflage des Buchs zum Lasersintern von Kunststoffen in der vorliegenden Form nicht möglich gewesen.
Gabriele Fruhmann
Gabriele Fruhmann studierte nach einem Fachabitur in Informatik Mechatronik an der Technischen Universität Graz. Nach dem Studium erfolgte der Einstieg in die Industrie bei Magna Steyr Fahrzeugtechnik in Graz im Bereich Mehrkörpersimulation. Anschließend erfolgte der Wechsel zur ZF Friedrichshafen AG in die Vorentwicklung und die Fokussierung auf faserverstärkte Polymerwerkstoffe.
In 2013 wechselte sie zur BMW AG in den Bereich Werkstoffe und betreute dort Vorentwicklungsprojekte. Im Rahmen dieser Tätigkeit widmete sie sich ab 2014 verstärkt der additiven Fertigung und ab 2017 erfolgte die vertiefte Arbeit in der Werkstoffspezifikation für die Ausgangwerkstoffe beim Lasersintern (LS) und deren Eigenschaften nach dem Prozess im Bauteil.
Nach einem internen Wechsel in 2022 in den Bereich der Simulation sind aktuelle Schwerpunkte die Materialmodellauswahl, Materialcharakterisierung und Materialkartenerstellung für Polymerwerkstoffe in der Struktursimulation sowie die Verknüpfung der Ergebnisse aus unterschiedlichen Prozesssimulationen mit der Struktursimulation in Bezug auf die Materialeigenschaften im Bauteil.
Die Mitarbeit beim Buch entstand aufgrund einer gemeinsamen Projektarbeit und meiner Wertschätzung gegenüber Herrn Schmid für die erste Auflage dieses Buches, welche mir sehr geholfen hat, mich in kurzer Zeit in das Thema Lasersintern einzuarbeiten.
Inhalt
Titelei
Impressum
Inhalt
Vorwort
Der Autor
1 Einführung
1.1 Fertigungstechnik
1.2 Additive Fertigung
1.2.1 Einsatzbereiche und Technologietreiber
1.2.2 Hauptgruppen der additiven Fertigung
1.3 Additive Fertigung mit Kunststoffen
1.3.1 Vat Photopol0ymerisation (VPP)
1.3.2 Material Extrusion (MEX)
1.3.3 Material Jetting Technology (MJT)
1.3.4 Powder Bed Fusion (PBF)
1.3.5 Vergleich additiver Fertigungsverfahren für Kunststoffe
1.4 Lasersintern (LS) mit Kunststoffen
2 Lasersintertechnologie
2.1 Maschinentechnologie
2.1.1 Maschinenkonfiguration
2.1.2 Temperaturführung
2.1.2.1 Wärmequellen
2.1.2.2 Oberflächentemperatur am Baufeld
2.1.2.3 Laserenergieeintrag, Andrew-Zahl (AZ)
2.1.3 Pulverbereitstellung und Pulverkonditionierung
2.1.3.1 Interne und externe Pulverbereitstellung
2.1.3.2 Pulverzustand
2.1.4 Pulverapplikation
2.1.4.1 Klinge und Pulverkassette
2.1.4.2 Rollenbeschichter
2.1.4.3 Kombinierte Beschichtungssysteme
2.1.5 Optische Komponenten
2.1.5.1 Laserstrahlpositionierung
2.1.5.2 Fokuskorrektur
2.2 Maschinenmarkt
2.2.1 Industrielle Lasersinteranlagen
2.2.1.1 Firma Electro Optical Systems – EOS (Deutschland)
2.2.1.2 Firma 3D-Systems (USA)
2.2.1.3 Firma Farsoon Technologies (China)
2.2.1.4 Weitere Hersteller von LS-Anlagen
2.2.2 Technikums- sowie Forschungs- und Entwicklungsanlagen
2.2.2.1 Anlagen mit CO2-Laser
2.2.2.2 Anlagen mit Laserdioden
3 Lasersinterprozess
3.1 Prozesskette
3.1.1 Pulverbereitstellung
3.1.2 Datenvorbereitung und Baujob
3.1.3 Bauprozess
3.1.3.1 Aufheizen
3.1.3.2 Prozessablauf
3.1.3.3 Teile- und Baukammerparameter
3.1.3.4 Belichtungsstrategie
3.1.3.5 Abkühlen und Auspacken
3.1.4 Prozessfehler
3.1.4.1 Deformation der Teile
3.1.4.2 Oberflächendefekte: Orangenhaut
3.1.4.3 Weitere Prozessfehler
3.2 Qualifizierung für die industrielle Serienproduktion
3.2.1 Produktbezogene Prozesse
3.2.1.1 Pre-Prozess
3.2.1.2 In-Prozess
3.2.1.3 Post-Prozess
3.2.1.4 Prozessvalidierung
3.2.2 Funktionsbezogene Prozesse
3.2.2.1 Materialmanagement
3.2.2.2 Qualifizierung der Lasersintermaschine
3.2.2.3 Qualifizierung des Lasersinterprozesses
3.2.3 Stand der Normung
4 Lasersinterwerkstoffe: Polymereigenschaften
4.1 Polymere
4.1.1 Polymerisation
4.1.2 Chemische Struktur (Morphologie)
4.1.3 Thermisches Verhalten
4.1.4 Polymerverarbeitung
4.1.5 Viskosität und Molekulargewicht
4.2 Schlüsseleigenschaften von LS-Polymeren
4.2.1 Thermische Eigenschaften
4.2.1.1 Dynamische Differenzkalorimetrie (DDK/DSC)
4.2.1.2 Kristallisation und Schmelzen (Sinterfenster)
4.2.1.3 Wärmekapazität (cp) und Enthalpie (ΔHK, ΔHm)
4.2.1.4 Wärmeleitfähigkeit und Wärmestrahlung
4.2.1.5 Modellierung der Abläufe im Sinterfenster
4.2.2 Rheologie der Polymerschmelze
4.2.2.1 Schmelzviskosität
4.2.2.2 Oberflächenspannung
4.2.3 Optische Eigenschaften
4.2.3.1 Absorption
4.2.3.2 Transmission und (diffuse) Reflexion
5 Lasersinterwerkstoffe: Polymerpulver
5.1 Lasersinterpulverherstellung
5.1.1 Emulsions-, Suspensions- und Lösungspolymerisation
5.1.2 Ausfällen aus Lösungen
5.1.3 Mahlen und mechanisches Zerkleinern
5.1.4 Schmelzemulgieren
5.1.5 Lasersinterpulverherstellung im Überblick
5.1.6 Weitere Pulverherstellverfahren
5.2 Lasersinterpulvereigenschaften
5.2.1 Pulverdichte
5.2.1.1 Partikelform und -oberfläche
5.2.1.2 Partikelgrößenverteilung (Anzahl- und Volumenverteilung)
5.2.2 Pulverrheologie
5.2.3 Messung der Pulverfließfähigkeit
5.2.3.1 Hausner-Faktor (HR)
5.2.3.2 Rotationspulveranalyse
5.2.3.3 Fließhilfsmittel
6 Lasersinterwerkstoffe: kommerzielle Materialien
6.1 Polyamide (Nylon)
6.1.1 Polyamid 12 (PA 12)
6.1.1.1 Partikelgrößenverteilung und Partikelform
6.1.1.2 Thermische Eigenschaften
6.1.1.3 Kristallstruktur
6.1.1.4 Molekulargewicht und Nachkondensation
6.1.1.5 Pulveralterung
6.1.1.6 Eigenschaftskombination von PA 12
6.1.2 Polyamid 11 (PA 11)
6.1.3 Vergleich von PA 12 und PA 11
6.1.4 PA 12- und PA 11-Compounds
6.1.5 Flammhemmende Werkstoffe auf Basis von PA 12 und PA 11
6.1.6 Sonstige Polyamide (PA 6, PA 613, PA 1212)
6.2 Weitere Lasersinterpolymere
6.2.1 Thermoplastische Elastomere (TPU, TPA, TPC)
6.2.2 High-Performance-Polymere (PAEK, PPS)
6.2.3 Polyolefine (PP, PE)
6.2.4 Polyester (PBT, PET)
6.2.5 Duroplaste/Thermoset
7 Lasersinterbauteile
7.1 Bauteileigenschaften
7.1.1 Mechanische Eigenschaften
7.1.1.1 Kurzzeitbelastung: Zugversuch
7.1.1.2 Lasersinterbauparameter
7.1.1.3 Bauteildichte
7.1.1.4 Partielles Schmelzen (DoPM)
7.1.1.5 Anisotropie der Bauteileigenschaften
7.1.1.6 Langzeitbeständigkeit
7.1.2 Bauteiloberflächen
7.1.2.1 Einflussparameter
7.1.2.2 Rauheitsbestimmung
7.1.2.3 Oberflächenbearbeitung
7.1.2.4 Endbearbeitung/Finishing
7.2 Anwendungen und Beispiele
7.2.1 Prototypenbau und Kleinserien
7.2.2 Funktionsintegration
7.2.3 Stücklistenreduktion
7.2.4 Individualisierung und Personalisierung
7.2.5 Geschäftsmodelle und Ausblick
