Untersuchung formschlüssiger Stützkonstruktionen für das FLM-Verfahren
Creators: name: Krautwald, Tim
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: Additive Fertigung
subject: Additive manufacturing
subject: Fused Layer Manufacturing
subject: FLM
subject: Fused Deposition Modeling
subject: FDM
subject: Stützkonstruktion
subject: Support structure
subject: Formschlüssig
subject: Interlocking
subject: 620
subject: 670
subject: Rapid Prototyping
subject: Fused Deposition Modeling
subject: Konstruktionselement
subject: Thermoplast
subject: Verbindungstechnik
subject: Formschluss

description: Stützkonstruktionen im FLM-Verfahren besitzen mehrere Problemstellungen, die im Rahmen dieser Arbeit durch einen neuartigen Ansatz gelöst werden. Zum einen existiert keine einheitliche Lösung für die verschiedenen, als Baumaterial eingesetzten, Thermoplaste. Besonders auffallend ist dabei die durch ausgeprägte Schrumpfung und starken Lagenzusammenhalt charakterisierte Gruppe der teilkristallinen Thermoplaste, für die nur unzureichende oder gar keine Optionen zur Abstützung existieren. Zum anderen reduziert der häufige Wechsel zwischen verschiedenen Bauplatten und Haftvermittlern die Flexibilität des Verfahrens und steigert die Kosten. Es muss stets ein passendes Stütz- zum gewählten Baumaterial vorgehalten, konditioniert und eingestellt sein. Ein vereinheitlichtes Konzept für Stützkonstruktionen, welches weitestgehend unabhängig vom eingesetzten Baumaterial ist, erscheint zur Weiterwicklung des Verfahrens notwendig und sinnvoll. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine formschlüssig wirkende Stützkonstruktion auf Basis einer Mikroverzahnung entwickelt und erprobt. Diese fixiert das Bauteil durch eine Vielzahl kleiner Formschlusselemente und erlaubt gleichzeitig eine vollflächige Abstützung der Oberfläche. Bei diesem Verfahren ist kein Stoffschluss zwischen den eingesetzten Thermoplasten erforderlich, sodass diese weitestgehend unabhängig voneinander gewählt werden können. Im Zuge der Konzeptionierung werden verschiedene Ansätze betrachtet und bewertet, von denen letztlich ein druckgeprägtes Lösungskonzept gewählt wird. Der Aufbau der Verzahnung erfolgt dabei durch den Druck der Schmelze, der diese in das Gitter der Stützkonstruktion fließen und die formschlüssigen Elemente ausprägen lässt. Im Rahmen der Herleitung werden die relevanten Einflussgrößen sowie die zu erwartenden Zusammenhänge qualitativ erarbeitet und mit Kennwerten existierender additiver Fertigungssysteme verglichen. Um die identifizierten Zusammenhänge durch ein anwendungsnahes Modell zu stützen, werden empirische Versuche mit Mitteln der statistischen Versuchsplanung durchgeführt. Nach der Charakterisierung des Versuchssystems werden zwei Versuchspläne ausgearbeitet, welche die Auswirkungen der Einflussgrößen auf jeweils flache und steile Überhangwinkel fokussieren. Durch eine Zugprüfung der auf diesen Plänen basierenden additiv gefertigten Prüfkörpern wird die Haltekraft zwischen den Probenhälften ermittelt. Eine Bewertung der Oberflächenqualität erfolgt im Anschluss. Für beide Fälle werden Modelle erarbeitet, die eine hohe Anpassungsgüte besitzen. Die gefundenen Zusammenhänge werden Anhand von Demonstratoren aus Polypropylen (PP) als teilkristallines Baumaterial und mit Glykol modifiziertem Polyethylenterephthalat (PETG) sowie Polyvinylalkohol (PVA) als Stützmaterialien validiert. An diesen Druckobjekten werden auch die manuelle Entfernung der Stützkonstruktion und das Auflösen in einem Auswaschsystem exemplarisch vorgeführt. Neben dem Einsatz als lösbare Verbindung wird auch die Eignung der Mikroverzahnung für dauerhafte formschlüssige Verbindungen im FLM-Verfahren anhand einer zusätzlichen Versuchsreihe nachgewiesen. Neben der theoretischen Herleitung des treibenden Mechanismus der Mikroverzahnung wird auch der praktische Einsatz des Verfahrens mit konventionellen additiven Fertigungssystemen beschrieben und nachgewiesen. So stehen die formschlüssigen Stützkonstruktionen einem breiten Anwenderkreis unmittelbar zur Verfügung.
description: Support structures in the FLM process have several drawbacks which are solved in this work by a novel approach. On the one hand, there is no uniform solution for the different thermoplastics used as construction materials. Particularly notable is the group of semi-crystalline thermoplastics characterized by a pronounced shrinkage and a strong bonding between layers, for which only insufficient or no options for support exist. On the other hand, the frequent change between different build plates and bonding agents reduces the flexibility of the process and increases costs. A suitable support for the selected construction material must always be kept on hand, conditioned and adjusted. A standardized concept for support structures, which is largely independent of the construction material used, appears necessary and useful for the further development of the process. In this work, an interlocking support structure based on microserration is developed and tested. This fixes the component by means of a large number of small interlocking elements and at the same time allows the surface to be supported over its entire area. This process does not require a substance-to-substance bond between the thermoplastics used, so that they can be selected largely independently of one another. In the course of the conceptual design, various approaches are considered and evaluated, from which a pressure-formed solution concept is ultimately selected. The interlocking is built up by the pressure of the melt, which causes it to flow into the grid of the supporting structure and form the interlocking elements. In the course of the derivation, the relevant influencing variables and the expected interrelationships are qualitatively worked out and compared with characteristic values of existing additive manufacturing systems. In order to support the identified relationships by an application-oriented model, empirical experiments are carried out by statistical experimental design (DoE). After characterization of the test system, two experimental designs are developed which focus on the effects of the influencing variables on flat and steep overhang angles, respectively. Tensile testing of the additively manufactured test specimens based on these plans is used to determine the holding force between the specimen halves. An evaluation of the surface quality follows. For both cases, models are developed which have a high quality of fit. The relationships found are validated using demonstrators made of polypropylene (PP) as a semi-crystalline construction material and glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG) and polyvinyl alcohol (PVA) as support materials. Manual removal of the support structure and dissolution in a washout system are also exemplified on these printed objects. In addition to its use as a detachable connection, the suitability of microserration for permanent form-fit connections in the FLM process is also demonstrated by means of an additional series of tests. In addition to the theoretical derivation of the driving mechanism of microserration, the practical use of the process with conventional additive manufacturing systems is described and demonstrated. Thus, the interlocking support structures are immediately available to a wide range of users.