Kombinierte Prozesskette aus additiven und subtraktiven Fertigungsverfahren

Die Verbindungstechnik zwischen Bauteilkomponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen ist beim Hybrid Manufacturing eine zentrale Herausforderung und noch weitgehend unerforscht, wenngleich die Hybridisierung von Bauteilen eine gängige Praxis bei der Produktentwicklung ist.

Eigenschaften und Verbindungstechnik von Multimaterialbauteilen

Multimaterialbauteile zeichnen sich durch die Integration unterschiedlicher werkstoffspezifischer Eigenschaften aus. Aufgrund des hohen Individu­alisierungsgrads von Systemen – zum Beispiel von Beinprothesen – kommen zur Herstellung von Kunststoffkomponenten immer häu­figer flexible additive Ferti­gungsverfahren wie das Fused Layer Modeling (FLM) zum Einsatz. Zur Bearbeitung hochbelastbarer metallischer Komponenten und zum Beispiel zur Vorbereitung von Schnittstellen sind dahingegen subtraktive Ferti­gungs­verfahren wie das Fräsen zu bevorzugen.

Hybride Bauteilkomponenten müssen anforderungsgerecht verbunden werden. Im Sinne des Leichtbaus und aufgrund anwen­dungstypischer Lastbedingungen stehen auch in der hier vorgestellten Forschungsarbeit formschlüssige Verbin­dun­gen im Fokus. Hierzu ist zunächst zu untersuchen, unter welchen Bedingungen eine formschlüssige Verbindung in einem FLM-Prozess möglichst optimal hergestellt werden kann. Die Belastbarkeit und Zuverläs­sigkeit einer formschlüssigen Verbindung ist neben einer anforderungsgerechten Auslegung und Konstruktion von einem stabilen Fertigungsprozess und einem ausreichenden Ausfüllen der Verbindungselemente abhängig. Wie eine möglichst gleichmäßige und vollständige Formfüllung erreicht werden kann, ist Gegenstand dieser Forschungsarbeit.

Stand der Technik

Die Prozesshybridisierung von additiven und subtraktiven Fertigungsverfahren wird erst seit einigen Jahren wissenschaftlich untersucht [1;2]. Seither wurde der Stand der Technik zum Beispiel um einen Algorithmus zur Prozessplanung hybrider Wertschöpfungsketten erweitert [3]. Inzwischen bieten verschiedene Hersteller additive Fertigungssysteme zur Verarbeitung pulvermetallurgischer Werkstoffe im industriellen Maßstab an [4]. Eine Lö­sung zur Kombi­nation von Funktionselementen aus verschiedenen Werkstoffen existiert jedoch bislang nicht.

Hybride Bauteilkomponenten lassen sich in der Regel nicht chemisch verbinden, was aus dem FLM-Bereich durch die Ver­wen­dung von Beschichtungen, Dauerfolien oder Klebstoffen zwischen dem metallischen Druckbett und dem Kunststoffbauteil bekannt ist [5;6]. Aus diesem Grund sind mechanische Verbindungsele­mente von Interesse, für die prozessunabhängige, all­gemeine Gestaltungsrichtlinien zur Hemmung verschiedener Freiheitsgrade und zur Kraftübertragung existieren [7]. Der Einfluss der Prozessführung generativer Prozesse auf die Verbundfestigkeit ist dabei nicht zu vernachlässigen [8].

Experimentelle Untersuchungen zum Fused Layer Modeling

Bei der Versuchsanlage handelt es sich um eine Eigenentwicklung in üblicher XY-Portalbauweise mit Z-Hubtisch und leistungs­gesteigerter Extrusionseinheit. Der Versuchsaufbau ist so gestaltet, dass die Analyse der variablen Prozessgrößen des FLM-Verfahrens bezüglich ihres Einflusses auf die Füllung einer Nut möglich wird. Neben der erreichten Fülltiefe z_f stellt auch das Verhältnis von gefülltem Volumen zu extrudiertem Mate­rialvolumen eine Zielgröße dar, da zu erwarten ist, dass nicht das gesamte Material in die Nut gelangt.

Es wurde eine b_N = 1 mm breite und z_f max = 15 mm tiefe Nut gefüllt, welche in ein zweigeteiltes Aluminium­bauteil gefräst ist, Bild 1 (A, B).

Die vorab durchge­führten Screening-Versuche wiesen darauf hin, dass die Düsentemperatur T_D keinen signifikanten Einfluss auf die Nutfülltiefe hat. Daher wurde für die weiteren Untersuchungen im Hinblick auf die Materialeigenschaften des verwendeten Werkstoffs ABS (Acrylnitril-Butadien-Sty­rol) eine Düsentemperatur von T_D = 240 °C gewählt. Bei der verwendeten Düse handelte es sich um eine handelsübliche FLM-Extruderdüse („E3D-Volcano“) mit den Durchmessern 0,6 mm, 0,8 mm und 1,0 mm. Da sich die besten Füll­ergebnisse in den Screening-Ver­suchen mit D_D = 0,6 mm erzielen ließen, fanden die weiteren Untersuchungen mit diesem Durch­messer statt.

Die Erfassung der Eindringtiefe wurde mithilfe eines Auflichtmikroskops (Modell „Olympus DSX500“) an mehreren Messpunkten in definierten Abständen durchgeführt. In Bild 2 sind zwei Proben, wie sie aus der Nut entnommen und vermessen worden sind, dargestellt.

Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Screening-Versuchen fand eine weitere Versuchsreihe auf der Basis eines CCD (Central Composite Design)-Versuchsplans mit den Einflussfaktoren Achsvorschub v_x, Soll-Fülltiefe z_s und Nut-Temperatur T_WS statt. Die Grenzen des Faktor­raums sind in Bild 3 dargestellt.

Versuchsergebnisse zum Fused Layer Modeling

Für die Auswertung der Versuchsergebnisse wurde der Einfluss der Modellvariablen, deren Potenzen zweiter Ordnung und deren Wechselwirkungen untersucht. Die relevanten Größen aus dieser Faktormenge sind in Bild 4 mit ihrem relativen Einfluss auf das Systemverhalten aufgeführt.

Es zeigt sich, dass insbesondere der Achsvorschub v_x und die Soll-Fülltiefe z_s für die erreichte Fülltiefe bedeutsam sind. Die Bauteiltemperatur T_WS spielt hingegen eine untergeordnete Rolle.

In Bild 5 zeigen dreidimensionale Wirkungsflächen, wie sich die Faktoren kombiniert auf die Fülltiefe z_f auswirken. Durch den ausgeprägten quadratischen Einfluss des Achsvorschubs ergibt sich für jede Kombination der übrigen Faktoren ein lokales Maximum. Die Soll-Fülltiefe, Bild 5 (A), und Bauteiltemperatur, Bild 5 (B), zeigen hingegen einen proportionalen Einfluss, sodass sie soweit wie möglich maximiert werden sollten, um eine hohe Fülltiefe zu erreichen.

Die getestete Geometriemodifikation zeichnet sich durch einen abgeflachten Düsenkopf aus, Bild 6 (B), während handelsübliche FLM-Extruderdüsen eine konische Form haben, Bild 6 (A).

Fazit und Ausblick

Auf Basis der Versuchsergebnisse konnte eine Charakterisierung des physikalischen Systemverhaltens anhand der signifikanten Einflussgrößen abgeleitet werden. Diese Erkenntnisse werden in nachfolgenden Untersuchungen genutzt, um form­schlüs­sige Verbindungen zwischen Metall- und Kunst­stoff­komponenten zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden Nuten mit Hinterschnitt spanend in die metallische Komponente eingebracht und anschließend als Verbindungselement für eine im FLM-­Ver­fahren direkt aufgetragene Kunststoff­kom­po­nente verwendet.

Die mit unterschiedlichen Prozessparametern her­ge­stell­ten formschlüssigen Verbindungen werden anschließend zum Beispiel hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Auch die Entwicklung einer optimierten Düsengeometrie soll ein Gegenstand der geplanten Untersuchungen sein.

Neben den benannten Autoren waren die wissenschaftlichen Mitarbeiter Jonas Baumann (ISF), Philipp Bengfort (FG ME), Daniel Hesse (LKT) und Thomas Rupflin (FG ME) an der Ausarbeitung des Fachbeitrags beteiligt. Die Autoren danken dem Mercator Research Center Ruhr (MERCUR) der Stiftung Mercator für die Förderung des Forschungs­projektes mit dem Titel „Analyse des Produktentstehungsprozesses bei der Kombination additiver und subtraktiver Fertigungsverfahren für die Herstellung von Multimaterialprodukten“.

 

 

Literatur:

[1] Kerbrat, O.; Mognol, P.; Hascoët, J.-Y.: A new DFM approach to combine machining and additive manufacturing. Computers in Industry, 2011, S. 684–692.[2] Du, W.; Bai, Q.; Zhang, B.: A Novel Method for Additive/Subtractive Hybrid Manufacturing of Metallic Parts. Procedia Manufacturing 5 (2016), S. 1018–1030.[3] Zhu, Z. et al.: Application of a Hybrid Process for High Precision Manufacture of Difficult to Machine Prismatic Parts. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 74 (2014), S. 1115–1132.[4] Levy, G.: Additive Manufacturing – Multi Process, Multi Materials, Multi Applications: Interdisciplinary ECO System. CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering (ICME), Gulf of Naples, 2018.[5] Anderson, T.: Choosing the Best 3D Printing Bed Surface. MatterHackers Inc. Internet: https://www.matterhackers.com/news/choosing-the-right-3d-print-bed-surface. Zugriff am 7.10. 2016.[6] Croccolo, D. et al.: Experimental characterization and analytical modelling of the mechanical behavior of fused deposition processed parts made of ABS-M30. Materials Science 79 (2013), S. 506–518.[7] Ehrenstein, G. W.: Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik. München: Carl Hanser Verlag, 2004.[8] Kuhmann, K.: Prozeß- und Materialeinflüsse beim Mehrkomponentenspritzgießen. Dissertation, Erlangen, 1998.