Michael Heilig, Benjamin Baudrit, Heinrich Leicht, Christopher Pommer, Thomas Hochrein und Martin Bastian: Schweißen von lasergesinterten Kunststoffbauteilen aus PA12. Heizelementschweißen und Ultraschallschweißen, Shaker Verlag, Aachen 2018

Hintergrund der Arbeit im Fokus der durchgeführten Forschungstätigkeiten bildete der Erkenntnisgewinn über das Schweißverhalten von selektiv lasergesinterten (LS) Kunststoffbauteilen. Erstmals wurden Wissensdefizite über die Materialsubstitution von z.B. spritzgegossenen zu additiv gefertigten Kunststoffbauteilen aus PA12 im Hinblick auf resultierende Fügenaht- und Produktqualität geschlossen. Zudem wurden Design- und Fertigungskriterien für bestehende und zukünftige Anwendungen erschlossen. Als Schweißverfahren wurden das Ultraschallschweißen und das Heizelementschweißen eingesetzt, welche beide für die Kleinserienproduktion geeignet sind und sich hinsichtlich ihres Energieeintrags unterscheiden. Neben der Variation der Schweißparameter wurde der Einfluss verschiedener Baurichtungen bei LS-Anfertigung auf die Schweißprozesse und die resultierenden Nahtfestigkeiten untersucht sowie die LS-Prozessparameter Bestrahlungsstäke und Altpulveranteil variiert.

Vielversprechende Ergebnisse und weitreichende Folgen

Die Schweißversuche mit anschließender Fügenahtcharakterisierung erzielten vielversprechende Ergebnisse für eine branchenübergreifende Anwendung lasergesinterter Kunststoffbauteile. So lässt sich festhalten, dass LS-Bauteile aus PA12 sehr gut mittels Ultraschall und Heizelement schweißbar sind und sogar Nahtfestigkeiten über den gewohnten Niveaus von PA12 als Spritzgussmaterial erzielt werden können. Für die Ultraschallschweißungen konnte zudem gezeigt werden, dass Schweißungen zwischen LS- und Spritzgussbauteilen aus PA12 hohe Festigkeitswerte erzielen. Trotzdem gilt es auch hier, einige Restriktionen wie beispielsweise die Staubbildung und den Werkzeugverschleiß beim Ultraschallschweißen zu beachten.

Anlass für das Forschungsvorhaben

Nicht nur in der Dienstleistungs- und der Kunststoffbranche und entsprechenden Anfragen von seitens verschiedener Dienstleistungs- und Industrieunternehmen bezüglich Schweißparameter für thermisch gefügte Verbindungen von lasergesinterten Kunststoffbauteilen waren auch entsprechende Diskussionen im Expertenkreis "Schweißen von Kunststoffen" des SKZ - Das Kunststoff-Zentrum ursächlich für dieses Vorhaben. Der enorme Handlungsbedarf innerhalb dieses Fachgebiets wurde auf entsprechenden Tagungen zum Thema, zum Beispiel auf Fachtagungen zum Thema "Additive Serienfertigung", bereits ausgiebig diskutiert. Das SKZ wurde wegen des damals unbefriedigenden Kenntnisstandes hinsichtlich Vorzugsbaurichtungen und Sinterparameter beim Laser-Sintern (LS) im Hinblick auf nachgelagerte Schweißprozesse dazu aufgefordert, Wissen über die thermische Schweißarbeit von LS-Kunststoffbauteilen zu generieren und etwaige Restriktionen aufzudecken. Aus allen Gebieten, in denen Schweißverfahren ( z.B. wie in der Automobil-, Elektrotechnik- und Baubranche) eingesetzt werden, wurde dem SKZ nahegelegt, Forschungsarbeiten in diesem Bereich aufzunehmen bzw. zu intensivieren.

Problemstellung

Additive Fertigungsverfahren haben den Vorteil, dass entsprechend mittels dieses Verfahrens erzeugte Prototypen teilweise mittlerweile sogar für Serienanwendungen einsetzbar sind; im Beispiel sind das Wasserraumkerne für PKW-Zylinderköpfe, Otoplastiken, Hüftimplantate oder Leichtbaustrukturen für die Luftfahrtindustrie. Gerade diese Prototypenteile werden immer öfters für die Serienanwendung eingesetzt und unterliegen eben deshalb einem gestiegenen Innovationsdruck. Auch Kleinserien werden zunehmend mit additiv gefertigten Teilen abgedeckt. Es existieren keine ausreichenden Kenntnisse über die Folge der Materialsubstitution von z.B. spritzgegossenen zu additiv gefertigten Formteilen auf die resultierende Fügenaht- und letztlich Produktqualität. Diese Defizite sollen im Laufe der Arbeit geschlossen und behoben werden.

Durch den Umstieg auf additive Fertigungsverfahren lassen sich viele Vorteile solcher Verfahren nutzen. Außerdem sind neben einem deutlich gesteigerten Komplexitätsgrad von Produkten auch veränderte Design-, Fertigungs- und Montagerichtlinien bei der Produktentwicklung gültig. Im Vergleich zum Spritzgießen können beispielsweise Mehrkomponententeile theoretisch in einem Prozessschritt gefertigt oder auf Formschrägen verzichtet werden. Dennoch gibt es auch bei additiven Fertigungsverfahren Konstruktionen, die mit anderen Komponenten verbunden werden müssen. Als erstes wäre die Bauraumgröße z.B. bei Laser-Sinter-Anlagen zu nennen, welche bei großen Bauteilen häufig limitierend ist. Hier müssen die einzeln gefertigten Komponenten anschließend miteinander verbunden werden. Außerdem werden additiv gefertigte Bauteile als Substitute bei Lieferengpässen oder zum Teil bei Produkten mit kurzer Time-to-Market eingesetzt. Auch in diesem Fall kommt es zum Verbinden mit anderen Komponenten. Näheres schildert der weitere Verlauf der Arbeit.

Zielsetzung der Arbeit

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war das Erarbeiten von Erkenntnissen und die Generierung von Wissen über das Schweiß- bzw. Fügeverhalten von lasergesinterten Materialien und Bauteilen. Als industrielle Schweißverfahren wurden das Ultraschallschweißen (US) und das Heizelementschweißen (HS) gewählt, welche sich durch ihr "Aufheizrampen" bzw. die Art des Energieeintrags stark unterscheiden und beide für die Kleinserienproduktion geeignet sind. Weiterhin war das Ziel des Projektes das Einsatzspektrum additiver Fertigungsverfahren zu erweitern, um nicht zuletzt notwendige Design- und Fertigungskriterien für bestehende und zukünftige Anwendungen zu erarbeiten. Durch die erlangten Forschungsergebnisse wird erstmals die Schweißbarkeit von lasergesinterten Materialien bewertet. Dadurch soll die Wissenslücke über die Schweißeignung additiv gefertigter Materialien und deren anisotropes Materialverhalten geschlossen werden.

Weitreichende Ergebnisse für Industrie und Wirtschaft

Darüber hinaus kann das Verfahren weiterentwickelt, die Produktqualität erhöht und so die Akzeptanz gegenüber Spritzgussbauteilen gesteigert werden. Durch das Untersuchungsprogramm wurden wichtige Designkriterien für die Produktauslegung erarbeitet. Daneben lag der Fokus auch auf weiteren, noch unerforschten bzw. wenig beachteten Materialbelastungen, wie bspw. ein mehrfaches Aufschmelzen der Sinterpulver. Die prozessübergreifende Betrachtung soll damit einerseits zu besserer Verbindungsqualität und andererseits zu einer effektiveren und effizienteren Bauteilauslegung und -fertigung durch LS führen. Ein weiterer Fokus lag auf der Einflussnahme von Prozessgrößen im LS-Prozess auf die Schweißnahtqualität. Zudem sollte geklärt werden, inwiefern sich LS-Bauteile mit "konventionell" hergestellten Bauteilen gleichen Materialtyps (z.b. Spritzguss) schweißen lassen. Hinzu kommt eine frühzeitige Berücksichtigung der Fügeprozesse, möglichst in der Planungsphase, welche die kostenanteilige Fehlerquote im Produktentstehungsprozess enorm minimieren kann. Zeitgleich stellt diese Planung und Auslegung ein wesentliches Kriterium für eine effiziente Fertigung dar.

Die hier erlangten Forschungsergebnisse werden somit Unternehmen für eine effizientere Produktentwicklung zugutekommen. Aufgrund der Prognose, dass additive Fertigungsverfahren mittelfristig weitere Anwendungsgebiete erschließen, sind die Resultate des abgeschlossenen Forschungsprojektes zudem für eine schnellere Markteinführung von Produkten, für verbesserte Konstruktionsrichtlinien und für die Fehlervermeidung bei der Produktentwicklung von höchstem Interesse. Weiterhin sind die Ergebnisse von besonderem Interesse für die Entwicklung von Normen und Standards. Gerade bei der Auslegung von Bauteilen und bei Richtlinien für Konstruktion und Fertigung sind heutzutage noch Defizite festzustellen, welchen die vorliegende Arbeit entgegen kommt. Kapitel 2 schildert dazu ausführlich den Stand der Technik, gerade was die flüssigen, pulverförmigen und festen Ausgangsmaterialien anbelangt.

Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels

In dieser Forschungsarbeit wurden nicht nur LS-Prüfkörper mit unterschiedlichen Schweißparametern beim US und HS verschweißt, sondern ebenso weitere LS-Prozess- und Einflussgrößen auf den nachfolgenden Schweißprozess untersucht. Die Ziele waren somit das Erarbeiten von Erkenntnissen und die Generierung von Wissen über das Schweißverhalten von LS-Bauteilen. Darüber hinaus wurden notwendige Design- und Fertigungskriterien für zukünftige Anwendungen erarbeitet, welche eine übergreifende Anwendung ermöglichen. Hierzu wurden zum Beispiel zunächst Referenzprüfkörper zum US- und HS-Schweißen mit industriellen Standardparametern und mit unterschiedlichen Orientierungen im Bauraum der LS-Anlage gesintert und für eine bessere Prozesskenntnis rheologischen, thermischen und mechanischen Tests unterzogen. Der Fokus lag auf möglichen Auswirkungen auf die Fügeprozesse und auf die resultierende Schweißnahtqualität. Weiterhin wurden Prüfkörper für Schweißversuche in unterschiedlichen Orientierungen gefertigt und hinsichtlich Rauheit und Form der Energierichtungsgeber beim US analysiert. In verschiedenen Versuchsreihen wurden relevante Kenngrößen, wie die Schweißparameter, Konditionierung der Probekörper vor dem Schweißen etc. variiert. Dabei wurden die Schweißversuche durch Thermografieaufnahmen überwacht und Prozessparameter dokumentiert. Die hergestellten Proben wurden schließlich ausführlichen optischen und mechanischen Analysen unterzogen, welche Aufschluss über die Verbindungsqualität gaben. Ergänzend wurden mikroskopische Untersuchungen, Dünnschnittauswertungen und Computertomografieaufnahmen (CT) durchgeführt.

Zusammenfassung und Ausblick

Eine ausführliche Zusammenfassung wird in Kapitel 6 niedergelegt. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die bisher durchgeführten Versuche und Analysen vielversprechende Ergebnisse für eine branchenübergreifende Anwendung lasergesinterter Bauteile zeigen. So lässt sich festhalten, dass LS-Bauteile aus PA12 sehr gut mittels Ultraschall und Heizelementen schweißbar sind und sogar Nahtfestigkeiten über den gewohnten Niveaus von PA12 als Spritzgussmaterial erzielt werden können. Als noch relativ unerforschtes Themengebiet bieten sich für das Verschweißen von LS-Bauteilen weitere interessante Forschungsansätze. So könnte beispielsweise der Feuchtigkeitseinfluss auf die Schweißbarkeit tiefer gehend untersucht werden. Auch auf andere Materialkombinationen, wie spritzgegossenes GF-PA12 mit LS-PA12 oder sogar spritzgegossenes PP mit LS-PA12 mit US-Schweißungen sowohl im Nahfeld als auch Fernfeld sollte ein besonderes Augenmerk geworfen werden.

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