title: Electrostatic powder charging phenomena and their utilization in a novel powder application method for powder bed fusion of polymers
Creators: name: Kopp, Sebastian-Paul
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Additive Manufacturing
subject: Powder Bed Fusion
subject: Electrophotography

description: Additive manufacturing processes such as laser-based powder bed fusion of polymers (PBF-LB/P) are characterized by their high flexibility and have become an indispensable part of the modern manufacturing landscape. Conventional powder application processes, however, limit this flexibility considerably. For this reason, a novel approach to powder application is pursued in this work, which is essentially based on the principle of electrophotography, which has been known for decades and is widely used due to the laser printer. However, the successful use of electrophotography in laser-based additive manufacturing has not yet been achieved. In this thesis, electrophotographic powder deposition (EPA) is systematically investigated in the context of PBF-LB/P, taking a holistic approach from the charging of individual powder particles, through the generation of charged powder layers, to finished components produced by PBF-LB/P with EPA. In this way, significant limitations of conventional powder application processes can be eliminated. In particular, the use of EPA reduces the dependency of powder application on flowability, which significantly expands the previously severely limited material variety for PBF-LB/P. In addition, multi-material parts can be produced using PBF-LB/P with the aid of EPA. Last but not least, the powder efficiency and thus the environmental balance of PBF-LB/P is significantly improved, since the selectivity of the powder application means that only as much powder material is applied to the build chamber as is actually required to produce the individual part.
description: Additive Fertigungsverfahren wie das laserbasierte Pulverbettschmelzen von Polymeren (PBF-LB/P) zeichnen sich durch ihre hohe Flexibilität aus und sind aus der modernen Fertigungslandschaft nicht mehr wegzudenken. Jedoch schränken herkömmliche Pulverauftragsverfahren diese Flexibilität bedeutend ein. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz für den Pulverauftrag verfolgt, der im Wesentlichen auf dem seit Jahrzehnten bekannten und dank des Laserdruckers weit verbreiteten Prinzip der Elektrofotografie beruht. Bisher ist der erfolgreiche Einsatz der Elektrofotografie in der laserbasierten additiven Fertigung jedoch noch nicht gelungen. Im Rahmen dieser Arbeit wird der elektrofotografische Pulverauftrag (EPA) im Kontext des PBF-LB/P systematisch untersucht, wobei ein ganzheitlicher Ansatz von der Aufladung einzelner Pulverpartikel über die Erzeugung geladener Pulverschichten bis hin zu fertigen Bauteilen, die mittels PBF-LB/P mit EPA hergestellt wurden. Hierdurch können wesentliche Limitationen herkömmlicher Pulverauftragsverfahren beseitigt werden. Insbesondere verringert der Einsatz des EPA die Abhängigkeit des Pulverauftrags von der Fließfähigkeit, was die bisher stark eingeschränkte Materialvielfalt für das PBF-LB/P signifikant erweitert. Zudem können mithilfe von EPA Multi-Material-Bauteile mittels PBF-LB/P hergestellt werden. Nicht zuletzt wird die Pulvereffizienz und damit die Umweltbilanz des PBF-LB/P deutlich verbessert, da durch die Selektivität des Pulverauftrags lediglich so viel Pulvermaterial in den Bauraum eingebracht wird, wie zur Herstellung des Bauteils tatsächlich erforderlich ist.