Entwicklung eines Kataloges für Materialkennwerte zur fertigungsgerechten Gestaltung additiv gefertigter Bauteile

Abstract

Die additive Fertigung, umgangssprachlich auch 3D-Druck genannt, ist aufgrund der hervorragenden Eignung als Fertigungsverfahren in zahlreichen Gebieten eine erfolgversprechende Technologie. Vor allem durch besondere Vorteile, wie beispielsweise Geometriefreiheit, können Bauteile gefertigt werden, die mit traditionellen Fertigungsmethoden schwer oder gar nicht fertigbar wären. Durch den universellen Einsatz in verschiedensten Anwendungsgebieten, wie Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Direct Manufacturing oder auch Additive Repair, ist die additive Fertigung besonders in der Industrie eine aufstrebende und chancenreiche Technologie. Aufgrund der großen Anzahl an Einflussgrößen, insbesondere bei der Materialextrusion (MEX), ist ein besonderes Augenmerk auf die vorhandene Druckumgebung zu richten. Demnach ist geradezu für die Produktion von prüfungsrelevanten Bauteilen die Kenntnis von den exakten mechanischen Eigenschaften nahezu unumgänglich. Ziel dieser Arbeit ist es, durch Materialprüfungen die mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Probekörpern unterschiedlicher Materialien und verschiedener Bauteilorientierungen unter Variation ausgewählter Druckparameter zu erhalten und daraus einen Katalog für Materialkennwerte zu entwickeln, um mit diesem eine fertigungsgerechte Konstruktion durchführen zu können. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit neben den theoretischen Grundlagen bezüglich der additiven Fertigung generell, auch das Forschungsgebiet Design for Additive Manufacturing sowie die Festigkeitslehre und Werkstoffprüfungen behandelt. Mithilfe einer Literaturrecherche werden bereits vorhandene Ergebnisse anderer wissenschaftlichen Arbeiten zusammengefasst und die Wichtigkeit für eine an die Druckumgebung angepasste Untersuchung der mechanischen Eigenschaften gezeigt. In einem ausgiebigen und bedeutsamen Kapitel hinsichtlich der vorhandenen Testumgebung werden die verwendete Software, die Ausgangsmaterialien, die 3D-Drucker, die Probekörper und die Prüfmaschinen näher beleuchtet. Die im praktischen Teil mittels Kerbschlagbiegeversuch und Zugversuch ermittelten mechanischen Kennwerte, wie in etwa Charpy-Kerbschlagzähigkeit, Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul, werden aufgezeigt und dargestellt. Dazu wird auch der Einfluss der betrachteten Parameter auf die Festigkeit diskutiert. Auf Basis der Ergebnisse werden schließlich praktische Maßnahmen abgeleitet und der Umgang mit dem entwickelten Katalog gezeigt. Zuletzt folgt eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Inhalte und Erkenntnisse dieser Abhandlung und weiterer potenzieller Forschungsbedarf. Im Anhang befindet sich der entwickelte Katalog für Materialkennwerte sowie sämtliche Datenblätter der verwendeten Druckumgebung. Dazu zählen die Datenblätter der verwendeten 3D-Drucker, Materialien und Auszüge aus den Dokumenten der Materialprüfmaschinen.

Additive manufacturing, also known as 3D printing, is a promising technology due to its outstanding suitability in numerous areas as a manufacturing process. Particular advantages, such as geometric freedom, components can be manufactured that would be difficult or impossible to produce using traditional manufacturing methods. With its universal use in a wide range of applications, such as rapid prototyping, rapid tooling, direct manufacturing and additive repair, additive manufacturing is an up-and-coming and promising technology, especially in industry. Given the large number of influencing variables, especially in material extrusion (MEX), special attention must be paid to the existing printing environment. Accordingly, knowledge of the exact mechanical properties is practically indispensable for the production of test-relevant components.The aim of this work is to obtain the mechanical properties of additive manufactured test specimens made of different materials and with different component orientations by varying selected print parameters and to develop a catalog of material parameters based on this in order to be able to realize a design suitable for production.To this purpose, in addition to the theoretical fundamentals regarding additive manufacturing in general, the research area Design for Additive Manufacturing as well as strength theory and materials testing are also covered in this work. With the help of a literature research, already existing results of other scientific works are summarized and the importance for an investigation of the mechanical properties adapted to the printing environment is shown. In an extensive and important chapter regarding the existing test environment, the software used, the materials, the 3D printers, the test specimens and the testing machines are examined in more detail. The mechanical parameters determined in the practical part by means of charpy impact testing and tensile testing, such as charpy notched impact strength, tensile strength and modulus of elasticity, are shown and illustrated. In addition, the influence of the considered parameters on the strength is also discussed. Based on the results, practical measures are finally derived and the use of the developed catalog is shown. Finally, a brief summary of the main contents and findings of this paper and further potential research needs are presented. The appendix contains the developed catalog for material parameters as well as all data sheets of the printing environment used. This includes the data sheets of the 3D printers used, materials and excerpts from the documents of the material testing machines.