Mehrzonenheizbett für die additive Fertigung im FLM-Verfahren

Einleitung

Unter dem Begriff additive Fertigung werden alle Fertigungsverfahren zusammengefasst, bei welchen das Bauteil nicht materialabtragend, sondern durch einen schichtweisen Aufbau in einem Umformprozess oder durch einen Phasenübergang generativ aufgebaut wird [1]. Mit der Stereolithographie wurde das erste additive Fertigungsverfahren bereits 1984 von Charles W. Hull patentiert [2]. In den darauffolgenden Jahren begann die Entwicklung des Fused Layer Modeling-Verfahrens (FLM) durch S. Scott Crump und der Firma Stratasys Inc, welche 1989 den Patentantrag auf das Verfahren stellten [3].

Durch die gestiegene und einfachere Verfügbarkeit von Material und Fertigungsanlagen sowie Verbesserungen in der Softwaresteuerung, sind additive Fertigungsverfahren in die industrielle Wertschöpfungskette eingedrungen. In einer aktuellen Umfrage der Bitkom e.V. bestätigen 32 % der deutschen Unternehmen additive Fertigungsverfahren zu nutzen[4], was im Vergleich zur Umfrage aus 2016 einen Zuwachs von 12 % darstellt. Eine Analyse von Grand View Research stellt das FLM-Verfahren, gemessen am Marktanteil, als das am stärksten vertretene additive Fertigungsverfahren heraus [5]. Bis 2025 wird hier ein stark wachsender Marktanteil prognostiziert, wobei zwischen 2018 bis 2025 das jährliche Wachstum bei bis zu 18,4 % liegen könnte [5].

Aus dem schichtweisen Aufbau der Bauteile resultiert eine Anisotropie in den Bauteileigenschaften, also eine Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Belastungsrichtung durch die orientierte Fertigung im Bauraum. Vom VDI werden Bauteilen aus dem Rapid Prototyping, unter anderem wegen dieser Anisotropie, nur eingeschränkte Funktionalität zugesprochen [1]. Die Optimierung von mechanischen Bauteileigenschaften steht damit im zentralen Interesse der Industrie und zur Verbesserung des Verfahrens.

Für die industrielle Anwendung entwickelte FLM-Fertigungsanlagen zeigen aufgrund der verwendeten Komponenten wie Hochtemperaturheizbetten und Bauraumheizungen einen hohen Energieverbrauch. Besonders für die reproduzierbare Fertigung und Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen werden diese Komponenten benötigt, wobei es in diesem Be- reich nur wenig Innovationen gibt.

Formulierung des Themas

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird eine neue, beheizbare Fertigungsgrundplatte (Druckbett) für die additive Fertigung im FLM-Verfahren entwickelt. Die beheizbare Grundplatte soll über mehrere, zueinander unabhängig ansteuerbare Heizzonen verfügen und in den FLM-Prozess integriert werden. Zur Zeit am Markt erhältliche und in Anlagen verbaute beheizbare Fertigungsuntergründe verfügen nur über eine Zone, welche unabhängig von der Bauteilgeometrie zur Fläche des Untergrunds nur auf die gleiche Zieltemperatur geregelt werden kann.

Mit Hilfe von mechanischen Prüfverfahren sollen die Auswirkungen der neuen, beheizbaren Druckbettunterlage auf den Prozess und die Bauteilqualität ermittelt und quantifiziert werden.

Eingrenzung des Themas

Die beheizbare Fertigungsgrundplatte wird ausschließlich für die additive Fertigung im FLM-Verfahren entwickelt und gefertigt. Die Übertragbarkeit in andere additive Fertigungsverfahren ist nur begrenzt möglich. Die im Verlauf der Arbeit in Prüfverfahren ermittelten Kennwerte, Ergebnisse und Erkenntnisse sind nur für das FLM-Verfahren repräsentativ und lassen sich nur eingeschränkt verfahrensübergreifend vergleichen.

Stand der Forschung

Das FLM-Verfahren

Bei dem FLM-Verfahren wird ein Objekt schichtweise aus einem thermoplastischen Kunststoff aufgebaut. Der Kunststoff wird in einer beweglichen und beheizten Düse aufgeschmolzen und auf bereits erstarrtes Material abgelegt [6, p. 120]. Sind alle Stränge einer Schicht gefertigt, wird die Düse um einen bestimmten Abstand über das Bauteil angehoben und die neue Schicht abgelegt. Das Bauteil entsteht additiv durch den Auftrag der einzelnen Schichten aufeinander.

Das Material liegt in Form von Filament mit einem anlagenspezifischen Durchmesser von 1,75 oder 3,0 mm vor. Generell lässt sich jeder thermoplastische Kunststoff in diesem Verfahren umformen. Die Anforderungen an die Anlagen zu Untergrundmaterialien sowie erreichbare Temperaturen an Düse, der Druckbettunterlage oder im Bauraum sind dabei unterschiedlich. Bauteile aus dem FLM-Verfahren weisen eine typische treppenstufenähnliche Oberflächenstruktur auf, die während des Extrusionsprozesses in Schichten entsteht. Ebenso resultiert aus dem Schichtaufbau eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften [8, p. 50]. Die Eigenschaften sind abhängig von der Belastungsrichtung und nicht homogen über das Bauteil ausgeprägt.

Beide Begriffe werden zur Beschreibung des Verfahrens verwendet, wo- bei die Bezeichnung FDM korrekterweise ausschließlich Fertigungsanlagen der Firma Stratasys beschreibt.

Beheizbare Fertigungsunterlagen für das FLM-Verfahren

Am Markt verfügbare beheizbare Druckbettunterlagen funktionieren über das Prinzip der Widerstandsheizung. Durch den elektrischen Widerstand R wird der angelegte Strom in Wärmeenergie umgewandelt. Die Berechnung der Leistung folgt aus dem Ohmschen Gesetz aus der bekannten an- gelegten Spannung und dem Widerstand R des Heizdrahtes:

I = U/R

Für das FLM-Verfahren erhältliche Bauformen für beheizbare Druckbettunterlagen

Die Heizleistung P errechnet sich durch:

P = U  I

Die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ist nach den Grundlagen der Thermodynamik mit einem Wirkungsgrad η mit 1,00 möglich, also einem Übergang von 100 %. Die Wärme entsteht dabei direkt an der Druckbettunterlage, allerdings über die gesamte Fläche der beheizbaren Unterlage unabhängig von der tatsächlichen Grundfläche A des Bauteils.

Auf diesem Prinzip sind verschiedene Geometrien, Leistungen, Größen und Bauformen speziell für die Anwendung im FLM-Verfahren erhältlich. Die Leiterbahnen sind dabei entweder in einer Silikon-Matte eingegossen (vgl. Abbildung 1.2a), auf einer Leiterbahnplatine geätzt (vgl. Abbildung 1.2b) oder auf ein flexibles Substrat aufgedampft (vgl. Abbildung 1.2c) [9][10][11].

Für hohe Ströme I und Heizleistungen P sind die in Abbildung 1.2b und 1.2c ungeeignet. Diese Produkte sind für die Anwendung in beheizbaren Druckbettunterlagen, wo Druckbetttemperaturen von 80 °C und mehr erreicht werden nicht zugelassen und stellen somit ein Sicherheitsrisiko für Anlage und Anwender dar. Die Herstellung ist einfach und günstig, womit diese Bauformen primär in Anlagen des unteren Preissegments zu finden sind. In hochwertigen FLM-Anlagen sind überwiegend beheizbare
Druckbettunterlagen aus in thermisch stabilem Silikon eingegossenen Widerstandsheizdrähten (vgl. Abbildung 1.2a) vertreten. Besonders bei Heizspannungen von 230 V ist die elektrische Isolation nur in dieser Bauform gegeben und das temperieren auch Druckbetttemperaturen bis zu der Gebrauchstemperatur des Silikons (ca. 250 °C) realisierbar [12].

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