Additive manufacturing of advanced polymer and metal-based materials through fused filament fabrication

Abstract

Additive Manufacturing (AM) represents a well-known and fast-growing material processing technology. It was first introduced in the 1860s for use in art (e.g. photo-sculpture) and was adapted in the 1890s to accommodate the topography field. Based on primary fields of application, a special procedure called “Photo-glyph recording” was developed and patented in 1951. In AM the part to be built is formed by adding material layer by layer until the part is finished. The produced part is supposed to be in the final state then without requiring any additional molds or additional post-processing. Therefore, using Additive Manufacturing can save time and costs in comparison to commercial production methods particularly when manufacturing complex prototypes or small batch series. Another advantage of Additive Manufacturing is its freedom of design. This thesis covers seven publication, which can be found in PART B of the thesis. The included work is focused on fused layer modelling, also known as fused deposition modelling, fused filament fabrication or material extrusion, a specific Additive Manufacturing technology.

Additive Fertigung ist eine wohlbekannte und schnell wachsende Materialverarbeitungstechnologie. Sie wurde erstmals in den 1860er Jahren im Bereich der Kunst (z.B. Fotoskulptur) eingesetzt. Basierend auf diesen ersten Anwendungsgebieten wurde 1951 ein spezielles Verfahren namens "Photo-Glyph Recording" entwickelt und patentiert. Beim Einsatz additive Fertigungsverfahren wird das gewünschte Bauteil durch schichtweises Auftragen von Material aufgebaut, bis das Teil fertiggestellt ist. Das auf diese Weise hergestellte Bauteil ist nach Abschluss des Verfahrens fertiggestellt, im Idealfall ohne dass weitere Verfahrensschritte oder zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich sind. Daher ist es möglich, durch den Einsatz von additive Fertigungsverfahren im Vergleich zu kommerziellen Produktionsmethoden insbesondere bei der Herstellung komplexer Prototypen oder Kleinserien Zeit, Ressourcen und Kosten einzusparen. Ein weiterer entscheidender Vorteil der Additive Manufacturing ist die bestehende Designfreiheit hinsichtlich Bauteilaufbau und Bauteilgestaltung. Die vorliegende Dissertation umfasst nach einem Übersichtsteil (TEIL A) sieben Publikationen, welche im zweiten Teil der Arbeit (TEIL B) eingegliedert sind. Die Publikationen fokussieren sich auf den Einsatz des Schmelzschichtverfahrens (Fused Filament Fabrication (FFF)), welches ein spezielles Verfahren aus der Gruppe der Additiven Fertigungsverfahren ist. Im Zuge der Dissertation werden spezifische Themen im Bereich der generativen Fertigung, primär durch FFF, untersucht und abgearbeitet. Zu Beginn wird ein detaillierter Überblick über die vorhandenen generativen Fertigungsstechnologien geliefert, welcher dem aktuellen Stand der Technik entspricht und diesen abbildet. Sämtliche zusammengetragenen Informationen diesbezüglich sind in der ersten Publikation (Paper 1: 3D - Materialextrusion - Printing with Biopolymers) zu finden. Im Rahmen dieser umfangsreichen Literatursuche und nachfolgender Untersuchungen und Experimenten konnten mehrere Problemfelder identifiziert werden, die es zu bearbeiten und zu lösen gilt, um die Methoden der additiven Fertigung weiterzuentwickeln und die Anwendungsmöglichkeiten der additive Fertigungstechnologien zu vergrößern. Die Problemfelder lassen sich unterteilen in materialbezogene Forschung, wie z.B. Materialaufbau und spezifisches Werkstoffverhalten und Werkstoffentwicklung, prozessbezogene Forschung und anwendungsorientierte Forschung. Im Zuge der materialbezogenen Forschung wird das spezifische Verhalten von biobasierten polymerund metallbasierten Werkstoffe im Detail untersucht. Die Forschung beinhaltet spezifische Unterschiede im Werkstoffverhalten und auch in der Leistungsfähigkeit der untersuchten Werkstoffklassen. Es werden Vor- und Nachteile verschiedener Werkstoffklassen sowie deren mögliche Anwendungsgebiete aufgezeigt. Darüber hinaus müssen die genannten Werkstoffe hinsichtlich der Verarbeitungsfähigkeit mittels generativer Fertigungsverfahren angepasst und optimiert werden. Die Modifikation der Ausgangsmaterialien und die damit verbundene Materialentwicklung stellt einen Schwerpunkt der materialbezogenen Forschung dar. Im Rahmen der prozessbezogenen Forschung der Arbeit werden Problemfelder bei der Verarbeitung der genannten Werkstoffklassen aufgezeigt. Die Untersuchungen beginnen mit einem Überblick über die gängigsten Werkstoffe, die mit dieser Technologie verarbeitet werden können. Anschließend werden mehrere Prozess- und Maschinenparameter des Schmelzschichtverfahrens sowie deren Einfluss auf den generativen Fertigungsprozess und die finalen Eigenschaften des hergestellten Bauteils diskutiert. Basierend auf diesem Wissen werden weitere Problemfelder im Bereich der additive Fertigung mittels Schmelzschichtverfahrens aufgezeigt. Diese müssen durch geeignete Verfahrensansätze gelöst werden, um die Leistungsfähigkeit des Fertigungsverfahrens zu verbessern. Für die Verarbeitung verschiedener Werkstoffklassen gilt es, passende Prozessparameter und Verarbeitungstechnologien zu definieren, die in Abstimmung mit den werkstoffbasierten Untersuchungen an die jeweiligen Werkstoffe angepasst sind und eine optimale Verarbeitung gewährleisten. Im Kapitel der biobasierten Werkstoffe wird die Morphologie der verarbeiteten Werkstoffe während verschiedener Prozessschritte analysiert. Insbesondere die Bildung und Modifikation von Poren beim Durchlaufen der im Zuge des Schmelzschichtverfahrens erforderlichen Prozessschritte wird untersucht. Die Ergebnisse diverser Untersuchungen diesbezüglich sind in der zweiten Publikation (PAPER 2: 3D computed tomography as Quality Control Tool in Advanced Composite Manufacturing) veröffentlicht. In weiteren Experimenten wird analysiert, wie sich einzelne Prozessparameter auf die Leistungsfähigkeit der hergestellten Bauteile auswirken. Um dies zu demonstrieren, wurden ausgewählte Prozessparameter verändert und ihr Einfluss auf die Eigenschaften der hergestellten Bauteile mittels mechanischer Prüfungen untersucht. Die Ergebnisse sind in der dritten Publikation (PAPER 3: Effects of the infill pattern on mechanical properties of fused layer modeling (FLM) 3D printed wood fibre biocomposites) veröffentlicht. Basierend auf den erhaltenen Untersuchungsergebnissen wird als nächstes die Eignung von mittels Schmlezschichtverfahrens hergestellter Bauteile für Außenanwendungen untersucht, da auch biobasierte Materialien für solche Anwendungen eingesetzt werden sollen. Die Ergebnisse sind in der viertel Publikation (PAPER 4: Mechanical properties and water absorption behaviour of PLA and PLA/Wood composites prepared by 3D printing and injection moulding) enthalten. Aus den zahlreichen im Zuge der Arbeit durchgeführten Analysen wird schnell deutlich, dass der biobasierte Werkstoff Poly-(lactid acid) (PLA), welcher einen sehr oft mittels Schmelzschichtverfahrens verarbeiteten Werkstoff darstellt, nur geringe Schlagzähigkeiten, allem voran eine auffallend geringe Kerbschlagzähigkeit, aufweist. In der fünften Publikation (PAPER 5: The impact of processing parameters on mechanical properties of PLA/PHA parts produced by 3D printing and injection moulding process) wird daher versucht, den genannten Werkstoff dahingehend weiterzuentwickeln und eine abgeänderte Materialformulierung herzustellen, die die Schlagzähigkeit der hergestellten Bauteile merklich erhöht. Die Werkstoffmodifikation ist erfolgreich, und die Details dazu sind in Publikation 5 veröffentlicht. Neben den biobasierten Polymerwerkstoffe wird im Kapitel der metallbasierten Werkstoffe auch die Verarbeitung metallische Werkstoffklassen behandelt. Diese können entweder in direkten oder in indirekten generativen Verfahren zu Bauteilen verarbeitet werden. Aufgrund der sehr großen Vielfalt an Verfahren werden die im Zuge der Dissertation durchgeführten Experimente und Untersuchungen auf die Verarbeitung mittels indirekter Verfahren beschränkt. Im Zuge von Experimente für die sechste Publikation (PAPER 6: Fused Layer modelling of highly-filled polymeric filaments with steel, aluminium and copper) werden spezielle Metallbinder-Rohstoffsysteme entwickelt und auf ihre Verarbeitbarkeit im Schmelzschichtverfahren untersucht. Darüber hinaus wird die Eignung des Metallbindersystems zur Herstellung von metallischen Teilen im indirekten 3D-Druck getestet und analysiert. Die Untersuchungen zeigen, dass das im Laufe der Publikation entwickelte Metallbindersystem für die Herstellung von Bauteilen im Schmelzschichtmodellierungsverfahren verwendet werden kann. Die Untersuchungen und Ergebnisse zeigen allerdings auch einige Problemfelder auf, die es noch weiter zu erforschen gilt. Zu diesem Zweck werden die für die Herstellung von Bauteilen im indirekten Verfahren notwendigen Prozessschritte (Entbindern und Sintern) mit zwei metallischen Werkstoffen (Stahl und Kupfer) eingehend und im Detail untersucht. Es werden wichtige Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Werkstoffen, den Verarbeitungsparametern und dem Entbinderungs- und Sinterverhalten aufgezeigt. Die somit erlangten Erkenntnisse sollen helfen, das Werkstoffverhalten der verarbeiteten Werkstoffe zu verstehen, um die notwendigen Prozessschritte weiter zu optimieren und somit höherwertige und leistungsstärkere Bauteile herstellen zu können. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind in der siebten Publikation (PAPER 7: Additive manufacturing of steel and copper using Fused Layer Modelling: Material and process development) veröffentlicht und werden dort eingehend diskutiert.