Wechselwirkungen Kunststoff - Laserprozess
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Wechselwirkungen Kunststoff - Laserprozess
Wissenschaftlicher Arbeitskreis der UniversitätsProfessoren der Kunststofftechnik Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology www.kunststofftech.com; www.plasticseng.com eingereicht/handed in: angenommen/accepted: 30.01.2008 05.03.2008 Prof. Dr.-Ing. E. Schmachtenberg Dipl.-Ing. R. Feulner, Dipl.-Ing. D. Rietzel, Dipl.-Ing. B. Wendel Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Kunststofftechnik Wechselwirkungen Kunststoff - Laserprozess Die Anwendungsfelder von Lasern reichen in der Kunststofftechnik von der Beschriftung über das Schweißen bis hin zu formlosen Formgebungsverfahren in der Additiven Fertigung. Gezieltes Einbringen von Füll- und Verstärkungsstoffen erlaubt das Maßschneidern der Werkstoffeigenschaften sowohl hinsichtlich der Anforderungen der Fertigungsverfahren als auch für die Anwendung. Am Beispiel des Selektiven Lasersinterns wird der Einfluss von Werkstoff und Fertigungsprozess auf die inneren Bauteil- und letztlich die Gebrauchseigenschaften verdeutlicht. Forscher des LKT konnten am Beispiel von POM zeigen, dass bislang für dieses Verfahren nicht nutzbare Kunststoffe zu Pulvern aufbereitet und durch Lasersintern zu komplexen Bauteilen verarbeitet werden können. Interdependencies Plastics – Laser Process The application areas of lasers in plastics engineering are ranging from labelling and welding of parts to toolless Additive Processing. Selective placement of fillers and reinforcements permit tailor-made material properties both regarding production process and application’s requirements. Cited Selective Lasersintering as an example, the influence of material and production process on the inner and finally the part properties are clarified. LKT’s researchers were able to demonstrate with polyoxmethylene (POM) that so far not suitable materials can successfully be pre-processed in order to be manufactured to complex parts via Selective Lasersintering. © Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 4 (2008) 3 E. Schmachtenberg, R. Feulner, D. Rietzel, B. Wendel 1 Einleitung Der Laser ist heute ein wichtiges Werkzeug zur Be- und Verarbeitung von Kunststoffen. Nachdem zunächst das Schweißen von Kunststoffen technische Bedeutung erlangte, folgten die Oberflächenmodifikation durch den Laser (Beschriften, Herstellung von lokaler Leitfähigkeit, Moulded Interconnecting Devices) und schließlich das Urformen ganzer Bauteile im Rapid Prototyping Prozess. Heute lässt sich absehen, dass einige dieser Verfahren das Potential aufweisen, hochwertige Produkte unter hohen Qualitätsanforderungen in kleinen und mittleren Serien kostengünstig zu fertigen [1]. Die Verfahren des Rapid Prototyping entwickeln sich zur Klasse der Additiven Fertigungstechnik. Mit der steigenden Zahl der Anwendungen und deren wirtschaftlicher Bedeutung besteht die Notwendigkeit, das Verständnis der Wechselwirkungsprozesse zwischen dem Werkstoff Kunststoff und dem Laser zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag wird aus dem heutigen, vergleichsweise jungen Stand der Technik referieren und wesentliche Fragestellungen für die zukünftige Forschung aufwerfen. Dabei konzentriert er sich auf die Fragestellung der Wechselwirkungen zwischen Laser und Kunststoff im Bereich der Additiven Fertigung und hier insbesondere auf das Verfahren des Selektiven Lasersinterns. © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Wechselwirkungen Kunststoff - Laserprozess Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 2 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel 2 WW Kunststoff - Laserprozess Absorption Die Lasertechnologie erlaubt es, Licht (Energie) mit einem definierten Strahldurchmesser und einer definierten Wellenlänge in einen Prozess einzubringen. In der Wechselwirkung mit dem Licht unterscheiden sich Kunststoffe von vielen anderen Werkstoffen dadurch, dass sie in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes die Energie in einem unterschiedlichen Maß absorbieren (Bild 1). Bild 1: Absorptionsspektrum verschiedener Kunststoffe in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes [2] Laserstrahlschweißen Spezielle Prozesse, wie das Laserdurchstrahlschweißen (Bild 2) nutzen die Eigenschaft geringer Absorptionsgrade (Transparenz), um die Energie durch das Bauteil in die Prozesszone zu leiten. Polycarbonat (Absorption mit Ruß modifiziert) Polycarbonat (hohe Transmission) Bild 2: 200 µm Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen links: Prinzip des Laserdurchstrahlschweißens [3] rechts: mittels Laserdurchstrahlschweißen gefügtes Polycarbonat Im Bereich der Fügezone kann dann durch Einbringen von Farbpigmenten oder anderer Zusatzstoffen (farbgebende und dispergierende Pigmente, lösliche Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 3 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess organische Farbstoffe, Ruß, etc.) das Absorptionsverhalten des Kunststoffes modifiziert werden, um lokal begrenzt in der Fügezone die Energieabsorption zu erreichen (siehe Bild 3). Bild 3: Absorptionsverhalten der Kunststoffe [4] An diesem Beispiel wird bereits ein wesentliches Prinzip erkennbar, das grundlegend für die Kunststoffe in den ihnen charakteristischen Verarbeitungsprozessen ist: Durch die Modifikation des Werkstoffes (hier Pigmentzugabe) werden die Werkstoffeigenschaften für den Prozess maßgeschneidert. So kann durch die unterschiedlichen Wellenlängen des sichtbaren Lichtes und des Infrarotlasers ein Kunststoff so eingestellt werden, dass er die gleiche Farbanmutung hat, aber für das infrarote Licht absorbierend oder transparent ist. Laserbeschriftung und Laserdirektstrukturierung Das Laserlicht wird in der Kunststofftechnik auch zur lokalen Aktivierung verwendet. Der Fertigungsprozess Laserdirektstrukturierung (LDS) (siehe Bild 4) ermöglicht z.B., Kupfer zur Erzeugung von Leiterbahnen auf geometrisch komplexen Bauteilen selektiv abzuscheiden. Somit ist es möglich, Leiterbahnen in Gehäusebauteile zu integrieren. Ein weiteres bekanntes Verfahren der Kunststofftechnik, das den Laserstrahl als Energiequelle nutzt, wird für die Beschriftung verwendet. Die absorbierte Lichtenergie wird mit jeweils angepassten Energiedosen eingesetzt. Hohe Energiedosen verdampfen den Kunststoff, so dass eine sichtbare Vertiefung entsteht. In Abhängigkeit von dem vorliegenden Kunststoff und der verwendeten Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 4 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess Laserstrahlquelle kann das Material mittels des Wärmeeintrags geschäumt oder ein Farbumschlag angestoßen werden (Bild 5 und Tabelle 1). Spritzgießen Laseraktivierung Metallisierung Laser aktivierter Bereich Bild 4: abgeschiedenes Kupfer (Leiterbahn) Leiterbahnenerzeugung mittels Laserdirektstrukturierung LDS [5] Gravieren Laser Material verdampft selektiv Hohe Leistungsdichte In Werkstoff entsteht Kavität Relais Schäumen Laser Der Kunststoff schmilzt lokal Durch das Schmelzen entstehende Gasbläschen werden beim Abkühlen im Material eingeschlossen und reflektieren Licht diffus. Erhabene Markierung entsteht Lichtmaschinenabdeckung Farbumschlag Laser Bild 5: Laser ermöglicht gezieltes Verändern von Moleküleigenschaften, und damit der optischen Eigenschaften Oberfläche bleibt weitgehend unbeschädigt Prozesse der Laserbeschriftung [6, 8, 9] Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 5 WW Kunststoff - Laserprozess Gut beschriftbar Gut beschriftbar mit Additiven Nicht beschriftbar ohne Additive Ergebnisse ohne Additive abhängig von der ohne Laseradditiv Farbe des Materials ABS PA PES PU PC PS PE Polyolefine PBT POM PI PEEK PPS PVC entspr. Blends Glasfaserverstärkte Typen (PEHD, PP) PMMA PTFE (z.B. PC/ABS) Tabelle 1: Laserbeschriftbare Kunststoffe [6, 7, 16] © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 6 3 © 2008 Carl Hanser Verlag, München WW Kunststoff - Laserprozess Konsolidierungsmechanismen Es ist nicht ausreichend, nur die unmittelbare Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstoff zu betrachten, es ist auch der Verarbeitungsprozess zu untersuchen. Bei den lasergestützten Urform- und Fügeprozessen ist es das Ziel, ein zusammenhängendes, möglichst homogenes und eigenspannungsfreies Bauteil zu erzeugen. Ganz grundsätzlich kann dabei von Vorprodukten unterschiedlichster Form und Aggregatzuständen ausgegangen werden, Bild 6. Der Laser übernimmt hier die Aufgabe des Energieeintrags zur Initiierung des Füge- bzw. des Konsolidierungsprozesses. Additive Fertigungsverfahren fest Draht Pulver Folie flüssig gasförmig Flüssigkeit Gas Aufschmelzen und Erstarren Aufschmelzen und Erstarren Verfestigen durch Binder Ausschneiden und Fügen Ausschneiden Polymerisieren und Polymerisieren Fused Deposition Modeling (FDM) Selective Laser Sintering (SLS) 3D-Printing (3DP) Laminated Object Manufacturing (LOM) Solid Foil Polymerisation (SFP) StereoLithoGraphy (SLA) chemische Reaktion LaserJet ChemicalVapor Deposition (LCVD) Selective Mask Sintering (SMS) www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel Electron Beam Melting (EBM) Bild 6: Additive Fertigungsverfahren, eingeteilt nach dem Konsolidierungsprinzip [10, 11] Im Folgenden wird auf die industriell besonders relevanten lasergestützten Prozesse Laser-Stereolithographie und das Selektive Lasersintern eingegangen. Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 7 WW Kunststoff - Laserprozess Laser-Stereolithographie Die Laser-Stereolithographie ist das älteste Rapid Prototyping Verfahren. Das Verfahrensprinzip beruht auf der Photopolymerisation. Spezielle flüssige Kunststoffe (z.B. photosensitive Epoxidharze) werden unter Einwirkung von UVLicht selektiv ausgehärtet. Als Energiequelle werden Festkörperlaserstrahlquellen eingesetzt. Das flüssige Monomer befindet sich in einem Behälter, der zugleich als Bauraum und Vorratsbehälter dient. Darin ist eine in z-Richtung verschiebbare Bauplattform integriert. Die über dem Bauraum angeordnete Laser-ScannerEinheit projiziert die Schichtinformation auf die Oberfläche des Harzbades. Die Aushärtung wird in der horizontalen Ebene durch den Durchmesser des Laserstrahls, in der vertikalen Ebene durch die optische Eindringtiefe des Lasers in das verwendete Harz begrenzt. Nach der Verfestigung dieser Schicht wird die Bauplattform um die gewählte bzw. definierte Schichtstärke abgesenkt. Nach dem Auftragen einer neuen Harzschicht mittels eines Beschichters wiederholt sich der Prozess, bis das Bauteil schichtweise aufgebaut ist (siehe Bild 7). Die Bauteile weisen in der Regel eine bis zu 96 % ige Polymerisation auf. Die vollständige Aushärtung erfolgt anschließend mittels eines UV-Ofens. Laser-Stereolithographiemodelle weisen im Vergleich zu anderen RP-Verfahren einen hohen Detaillierungsgrad und sehr gute Oberflächenqualitäten auf. © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel Bild 7: Verfahrensablauf bei der Laser-Stereolithographie, nach [10] Selektives Lasersintern Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 8 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess In der Technik bevorzugt ist der Prozess des Aufschmelzens und Erstarrens zur Erzeugung eines homogenen Bauteils. Daher nutzt die Mehrzahl der Additiven Fertigungsverfahren dieses Prinzip. Der Vorteil dieses Konsolidierungsprinzips ist der Verzicht auf chemische Reaktionen im Prozess. Die Vorprodukte sind inert, nicht toxisch, leicht handhabbar und wenig empfindlich gegenüber Störeinflüssen, z.B. der Lagerung oder im Verarbeitungsprozess. Im Vergleich von Metallen und Kunststoffen erkennt man für dieses Konsolidierungsprinzip wesentliche Unterschiede im Werkstoffverhalten (siehe Tabelle 2), welche etwa in den Prozessen des Additiven Fertigens zu beachten sind. Eigenschaft Thermoplaste Metalle Schmelztemperatur 100 °C - 350 °C 138 °C - 1500 °C ~1 % / 100 °C ~0,01 % / 100 °C zähflüssig dünnflüssig niedrig hoch Wärmeausdehnungskoeffizient Fließeigenschaften der Schmelze Oberflächenspannung der Schmelze Tabelle 2: Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen im Vergleich Aus diesen Eigenschaften resultieren unterschiedliche Prozessstrategien: Bei den Metallen zwingt die hohe Oberflächenspannung dazu, die Menge des aufgeschmolzenen Metalls klein zu halten, da es sonst zu Agglomerationen kommt. Es wird also auf den erstarrten Untergrund eine kleine Menge Schmelze aufgebracht, die während des Bauprozesses unmittelbar nach dem Aufschmelzen sofort wieder erstarrt. Die Temperatur des Werkstückes liegt wesentlich unter der Schmelztemperatur des Werkstoffs. Da die Wärmedehnung vergleichsweise gering ist, bleibt der Verzug trotz hoher Temperaturheterogenitäten begrenzt. Bevorzugt lassen sich Legierungen mit sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verarbeiten. Die hohe Wärmedehnung bei den Kunststoffen lässt ein Bauprinzip mit hohen Heterogenitäten im Temperaturfeld innerhalb des Werkstückes nicht zu. Daher muss das Pulverbett bis nahe an die Schmelztemperatur des Kunststoffes erwärmt werden. Ein idealer Bauprozess führt zu dem modellhaften Zustand des quasi-isothermen Lasersinterns [12]. Mittels des Lasers wird lediglich die zum Überschreiten des Phasenübergangs notwendige Energie zugeführt. Dabei sollte eine möglichst geringe Temperaturerhöhung im umliegenden Bett auftreten. Bei einer quasi-isothermen Prozessführung können Schmelze und Pulver nebeneinander vorliegen. Der Bauprozess findet sozusagen in einem Zweiphasenmischzustand statt [13]. Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 9 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess Hieraus folgt eine weitere werkstoffliche Voraussetzung für diese Verfahrensweise: Die Kristallisationstemperatur Tpc des Kunststoffes sollte deutlich niedriger liegen als die Kristallitschmelztemperatur Tpm. Durch die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) kann die Temperaturdifferenz zwischen Kristallitschmelz- und Kristallisationstemperatur dargestellt werden. Bild 8 zeigt an Hand eines Aufheizund Abkühlvorgangs in der DSC das ausgeprägte Temperaturfenster zwischen beiden Peaks eines kommerziell erhältlichen Lasersinterpulvers auf Polyamidbasis. Bild 8: Festlegung der zulässigen Bauraumtemperatur durch Auswertung der Temperaturdifferenz zwischen Aufschmelzen und Kristallisation anhand eines DSC-Kurvenverlaufs von PA12 [12] Dieses kennzeichnet den möglichen Bereich der Bauraumtemperatur beim SLSProzess. Wird dieses Prozessfenster überschritten, schmelzen Pulver unkontrolliert auf, während bei einer Unterschreitung, die bis dahin erzeugte Polymerschmelze zu kristallisieren beginnt und Schwindung, respektive eigenspannungsinduzierter Verzug („Curling“), auftritt [12]. Erst mit Abschluss des Bauprozesses werden Pulver und Bauteil langsam bei möglichst kleinem Temperaturgradienten abgekühlt, sodass eigenspannungsarme Bauteile mit großer Maßhaltigkeit realisiert werden können. Curling während des Bauprozesses kann zu Unebenheiten im Pulverbett führen und den Bauprozess gefährden [2]. Folglich muss der Zusammenhang von Prozess und Bauteileigenschaften im Detail betrachtet werden. Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 10 Die Formteilmerkmale (und somit die Gebrauchseigenschaften) von Spritzgussteilen aus Kunststoff werden nicht nur aus der Geometrie des Formnestes und den Werkstoffeigenschaften von Formmasse und Formnest, sondern auch durch die variablen Prozessparameter bei der Herstellung des Formteils bestimmt. Die vielfältigen Abhängigkeiten und Einflussmöglichkeiten ermöglichen es nicht, ohne weitere Betrachtungen unmittelbar von den Randbedingungen des Fertigungsprozesses auf die Eigenschaften des Bauteils schließen zu können. Um den Einfluss der Bedingungen bei der Herstellung auf die Formteileigenschaften quantifizieren zu können, wurde der Begriff der „Inneren Eigenschaften“ entwickelt (siehe Bild 9) [6]. variable Prozessparameter Formteilgeometrie Kunststoff Füllstoffe Werkzeugwerkstoff ... Formteilmerkmale Schwindmaße Formteilgewicht Bauteilfestigkeit Kratzfestigkeit Spannungsrissbeständigkeit Glanz ... g ng n ru nu ie n n nt pa tio rie ns sa O ige alli E ist Kr . .. Bild 9: n fte ha Randbedingungen des Prozesses c ns ge Massetemperatur Werkzeugtemperatur Einspritzgeschwindigkeit Nachdruck ... Fertigungsprozess Ei www.kunststofftech.com 4 Korrelation Fertigungsprozess und Bauteileigenschaften re ne in © 2008 Carl Hanser Verlag, München WW Kunststoff - Laserprozess le ka lo Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel Analytisches Prozessverständnis beim Spritzgießen Die inneren Eigenschaften sind Merkmale zur Charakterisierung des Zustandes eines Kunststoffes. Die wichtigsten inneren Eigenschaften sind Orientierungen, Eigenspannungen, Kristallisation (Kristallisationsparameter), molekularer Aufbau (mittlere Molmasse, Molmassenverteilung) und Änderung der Zuschlagsstoffe (z.B. Stabilisatoranteil, Faserlänge). Über variable Prozessparameter können die Bauteileigenschaften optimiert werden. Beim Spritzgießen steigt mit Erhöhung der Werkzeugwandtemperatur die Zeit, die dem Kunststoff zur Kristallisation in der Form zur Verfügung steht. Damit ändert sich die Innere Eigenschaft Kristallisationsgrad. Hieraus leiten sich weitere Eigenschaften ab, wie etwa Dichteerhöhung, erhöhter E-Modul, hieraus wieder die Veränderung der Gebrauchseigenschaften wie etwa erhöhte Kratzfestigkeit, stärkere Schwindung und daher kleinere Formteilabmessungen. Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 11 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess Ganz allgemein nutzt man den Begriff Orientierung dann, wenn die Eigenschaften richtungsabhängig vorliegen. Die Ursache für die Richtungsabhängigkeit beruht darauf, dass mikroskopische Eigenschaftsunterschiede (z.B. die unterschiedlichen Bindungsenergien von Haupt- und Nebenvalenzen) dann makroskopisch erkennbar werden, wenn der Werkstoff gerichtet zusammengesetzt ist. Somit kennzeichnet die Orientierung das Maß an Ausrichtung der inneren Strukturen im Werkstoff. Mit der zunehmenden Orientierung wachsen der E-Modul, die Zugfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit bei sinkender Wärmeausdehung (dies gilt jeweils in Orientierungsrichtung, senkrecht hierzu verhalten sich die Eigenschaften in umgekehrter Weise), die Permeabilität und die Absorption sinken. Bei teilkristallinen Werkstoffen wächst die Kristallinität, und die Transparenz sinkt. Wenn ein Bauteil auch ohne äußere Beanspruchung einen mechanischen Spannungszustand aufweist, spricht man von Eigenspannung. Die Ursache für die Eigenspannungen beruht darauf, dass einzelne Bereiche des Werkstoffverbundes unterschiedliche Abmessungen aufweisen, im Verbund durch den äußeren Formzwang dann gestreckt oder gestaucht werden und daher dann mit Spannungen beaufschlagt sind. Die Ursache für die unterschiedlichen Ausgangsabmessungen der einzelnen Bereiche des Werkstoffes kann die lokal unterschiedliche thermische Kontraktion, die Reaktionsschwindung oder die Medienaufnahme (oder –abgabe) des Werkstoffes sein. Eigenspannungen wirken wie äußere Spannungen und sind bei der Dimensionierung zu berücksichtigen. Sie wachsen bei heterogener Temperaturverteilung im Bauteil, schnellen Abkühlgeschwindigkeiten, hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohem E-Modul an. Bei Werkstoffverbunden bewirken unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten ebenfalls Eigenspannungen. Durch Tempern kurz unterhalb der Schmelztemperatur und anschließendes langsames Abkühlen können Eigenspannungen abgebaut werden. Die Molekülketten bestimmter Thermoplaste können sich bei der Erstarrung teilweise ordnen (kristallisieren => teilkristalline Kunststoffe). Der Aufbau kristalliner Ordnungszustände erfolgt an Grenzflächen in der abkühlenden Schmelze (Keimen). Je langsamer die Abkühlgeschwindigkeit ist, umso gleichmäßiger können die Makromoleküle kristallisieren (Kristallisationsgrad steigt). Je weniger Keime vorhanden sind, umso größer wird der einzelne Kristall (z.B. Sphärolithdurchmesser). Je geordneter die Makromoleküle in der Schmelze liegen (Orientierung), umso besser können die Makromoleküle kristallisieren (z.B. scherungsinduzierte Kristallisation). Bei sehr hohen Abkühlgeschwindigkeiten kann die Kristallisation unterdrückt werden (z.B. Getränkeflasche aus PET). Werden Bauteile im Spritzgießprozess gefertigt, wird die Wärme über die Bauteiloberfläche an das Werkzeug abgeführt. Aufgrund der im Vergleich zum Werkstoff des Spritzgießwerkzeuges niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs entsteht im Bauteil ein Temperaturgradient, der in einem schichttiefenabhängigen Kristallisationsgrad resultiert (siehe Bild 10). Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 12 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess Randschicht (optisch amorph) randnahe Schicht (feinsphärolithisches Gefüge) Kernschicht (grobsphärolithisches Gefüge) Bild 10: Gefügeausbildung in einem Spritzgussformteil PA66, Durchlicht, Polarisationskontrast mit O-Platte Dieses aus dem Spritzgießen entwickelte Verständnis um die inneren Eigenschaften des Werkstoffes wird für das kunststoffverarbeitende Fertigungsverfahren Lasersintern herangezogen, um den Prozess zu optimieren sowie neue oder modifizierte Werkstoffe zu qualifizieren. Wie Bild 1 exemplarisch verdeutlicht, weisen Kunststoffe von einander abweichendes Absorptionsverhalten auf. Für eine werkstoffgerechte Verarbeitung ist es demzufolge notwendig, die Wechselwirkungen zwischen Prozess und Energieeintrag zu verstehen. Bei zu hohen Laserleistungen kann es zu Materialabbau und durch die hohe Eindringtiefe zu Konturungenauigkeiten kommen. Das Zusammenwirken von hoher Absorptionsleistung und zu niedriger eingebrachter Energiedichte ist in Bild 11 dargestellt – durch die Verwendung eines Einbettmittels bei der Probenpräparation wird die Schichtaufweitung verstärkt. Neue aufgebrachte Schichten werden nicht durchgängig aufgeschmolzen und verbinden sich nicht vollständig mit der darunter liegenden Schmelze, woraus verminderte mechanische Eigenschaften resultieren. Folglich müssen bei der Verwendung neuer Kunststoffpulver für das SLSVerfahren werkstoffspezifische Prozessanpassungen durchgeführt werden. Bislang werden überwiegend Kunststoffpulver auf PA12-Basis (z.B. PA 2200 der EOS GmbH, Krailling) angeboten. Am LKT wurden Untersuchungen zur Verarbeitung neuer Werkstoffe durchgeführt, um für teilkristalline Werkstoffe Prozessmodelle ableiten zu können. Im nachfolgenden wird das kommerziell erhältliche PA 2200 Pulver mit einem kryogen gemahlenen POM-Pulver verglichen und Werkstoff, Fertigung und Bauteileigenschaften korreliert. Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 13 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel Bild 11: WW Kunststoff - Laserprozess Fehlende Schichtanbindung an lasergesintertem Bauteil bei zu geringer Laserleistung (Durchlicht an eingebettetem Dünnschnitt) Da während des Lasersinterprozesses die Schmelzetemperatur lange Zeit über der Kristallisationstemperatur gehalten und schließlich langsam bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird, werden hohe Kristallinitätsgrade (KPOMmax ~ 85%) und damit dennoch hohe Festigkeiten, bei einer Abnahme der Bruchdehnung, erreicht. Die Beweglichkeit der Molekülketten ist über einen vergleichsweise langen Zeitraum gegeben, weshalb hoch kristalline Strukturen aufwachsen können. Durchlichtmikroskopische Aufnahmen von Mikrotomschnitten aus Zugstäben im polarisierten Licht zeigen, dass POM weniger lamellare und stärker ausgeprägte, geordnete sphärolithische Überstrukturen als PA 2200 aufweist, Bild 12. Die durchgängige Kristallstruktur über mehrere Schichten bestätigt das Vorliegen quasi-isothermer Verhältnisse bzw. deren durch eine optimale Prozessführung temporäre Aufrechterhaltung. Bild 12: Morphologie von PA 2200 (links) und POM-Zugstäben (rechts), dargestellt an Dünnschnitten im polarisierten Licht Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 14 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess Im oberen Randbereich der POM-Zugstäbe sind transkristalline Bereiche erkennbar. Dabei handelt es sich um orientierte Kristallwachstumsfronten, welche typischerweise an Phasengrenzen entstehen [14]. Die Oberseite des Bauteils ist eine derartige Phasengrenze, da nach dem Bauprozess in der Abkühlphase noch Pulverschichten aufgebracht werden. Transkristalline Fronten können bei Prozessinstabilitäten unterschiedlichen Ursprungs auch im Bauteil auftreten. Lasergesinterte Bauteile aus POM zeigen als herausragendes Merkmal eine plane und homogen ausgeprägte Oberfläche. Eine derart hohe Oberflächenqualität ist für lasergesinterte Bauteile bisher untypisch, da durch den drucklosen Sinterprozess in der Regel zerklüftete, raue Oberflächen entstehen. 5 Aufbereitung der Kunststoffe Wie bereits erläutert, ergeben sich die Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften der Kunststoffe auch durch das Vorhandensein von Zusatzstoffen. In diesem Zusammenhang gilt es auch, das Verständnis des Begriffes Kunststoff zu präzisieren. So spricht man von Kunststoffen, wenn der polymere Werkstoff benannt wird, und nicht von Polymeren. Polymer bezeichnet den Teil des Werkstoffes, der eine makromolekulare Struktur aufweist. Im Werkstoff Kunststoff bildet das Polymer die Matrix, ergänzt durch unterschiedlich hohe Anteile an Zusatzstoffen. Zusatzstoffe können sehr unterschiedliche Funktionen übernehmen (siehe Bild 13). Erst durch die Einarbeitung der Zusatzstoffe erhält das Polymer seine verarbeitungs- und anwendungsspezifischen Eigenschaften, es entsteht der Kunststoff. Ohne Zusatzstoffe sind viele Polymere nicht verarbeitbar (z.B. weil sie sich wegen fehlender Stabilisierung in der Wärme zersetzen). Additive: (einige ppm bis 5 Vol.-%) Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Bild 13: Gleitmittel, Trennmittel Stabilisatoren Antistatika Flammschutzmittel Pigmente Additive für die Laserbeschriftung Vernetzer Weichmacher Haftvermittler Treibmittel Antibakterielle Mittel, Fungizide Bitterstoffe (Verbissschutz) Nanocomposites … Füllstoff: (10-50 Vol.-%) Î Î Î Î Î Î Î Î Î Mineralische Füllstoffe (Calciumcarbonat, Aluminiumhydroxid) Glasfasern Kohlenstofffasern Polymerfasern Naturfasern magnetisierbare Füllstoffe elektrisch leitende Füllstoffe wärmeleitende Füllstoffe … : Zusatzstoffe in Kunststoffen (Beispiele) [6, 7] Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 15 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess Das Aufbereiten des Kunststoffes aus dem Polymer und den Zusatzstoffen (Compoundieren) ist ein wichtiger Prozess in der Prozesskette der Kunststoffverarbeitung, Bild 14. Neben dem Dosieren von Grundpolymer und Zusatzstoffen erfolgt hier das Mischen, das Homogenisieren bis herunter auf molekulare Ebene (z.B. durch Lösen im Schmelzezustand) und schließlich das Ausbringen in einem für die Weiterverarbeitung erforderlichen Zustand (typischer Weise Granulieren). Polymersynthese • Polymerisation • Polykondensation • Polyaddition Aufbereitung (Compoundierung) • • • • Dosieren Mischen Homogenisieren Granulieren Verarbeitung • Extrusion • Spritzgießen • Hohlkörperblasen • ... werkstoffliches und rohstoffliches Recycling Bild 14: Die Aufbereitung, ein Prozess der Kunststoffverarbeitung Auch Kunststoffe, die in Additiven Fertigungsverfahren eingesetzt werden, benötigen spezifische Zusatzstoffe und Ausbringungsformen für den Additiven Fertigungsprozess. Beim Selektiven Lasersintern werden die Kunststoffe in Pulverform in den Fertigungsprozess eingebracht. Entsprechend dem Konzept des schichtweisen Aufbaus muss die nächste, etwa 0,1 mm dicke Pulverschicht gleichmäßig und unter geringen Schubspannungen auf die zuvor teilweise mit dem Laser aufgeschmolzene Schicht aufgebracht werden. Aus heutiger Sichtweise sind dabei folgende Aspekte wesentlich [15]: x monodisperse Pulver mit Partikeldurchmesser von ca. 60 ȝm x möglichst sphärische Partikelform (gleichmäßiger Eintrag) x kein Kleben der Partikel aneinander (Oberflächenspannung, Elektrostatik) Eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Umsetzung der Additiven Fertigung durch Lasersintern besteht darin, kostengünstige Verfahren zu entZeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 16 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess wickeln, die eine Herstellung solcher Partikel aus der Schmelze erlaubt. Aus diesem Hintergrund heraus erklärt sich die große Verbreitung des Werkstoffes PA12 im Bereich des Lasersinterns. Als teilkristalliner Werkstoff erlaubt er eine optimale Prozessführung zur Erzeugung porenarmer oder porenfreier Bauteile (siehe „Quasi-isothermes Lasersintern“). Zugleich liegt dieser bei der Polymersynthese in Pulverform und somit in der benötigten geometrischen Form vor, Bild 15 links [16]. Allerdings bedingt dieser Weg der Pulverherstellung im Polymerisationsprozess, dass Zuschlagstoffe nur sehr eingeschränkt eingebracht werden können [17]. Bild 15: Pulver für das Lasersintern links : PA12 (PA 2200), rechts:kryogen gemahlenes POM-Pulver (NMF) Eine weitere technische Möglichkeit zur Herstellung von Polymerpulvern in der erforderlichen Pulverfraktion ist das Kryomahlen in einer Prallmühle. Dieses aufwendige Verfahren erlaubt die Erzeugung von Pulvern mit einer geometrischen Ausformung, wie in Bild 15 rechts dargestellt. Aktuelle Arbeiten am LKT zeigen, dass auch solche Pulverformen gut verarbeitbar sind und wie hier bei dem Kunststoff POM zu guten Bauteilen führen. Aus diesen Betrachtungen kann gefolgert werden, dass für viele andere, möglicher Weise für das Lasersintern geeignete Kunststoffe die Verwendung unterbleibt, da kostengünstige Wege zur Herstellung monodisperser Pulver aus der Schmelze nicht verfügbar sind. 6 Zusammenfassung In den vergangenen Jahren wurden innerhalb der Kunststofftechnik insbesondere neue Verarbeitungsverfahren als Innovationstreiber sichtbar. Im Bereich der Sonderspritzgießverfahren führte zunehmend tiefer greifendes Werkstoff- und Prozessverständnis gepaart mit neuen Auslegungsstrategien beispielsweise zu hochkomplexen Werkzeug fallenden reibschlüssigen Mehr-Komponenten Kupplungen. Dies wurde durch gezieltes Einstellen der werkstoff- und prozessabZeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 17 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel WW Kunststoff - Laserprozess hängigen Bauteilschwindung möglich. Im Bereich der laserbasierten Kunststoffbearbeitung und –bauteilfertigung sind aufgrund des bisher kurzen Entwicklungszeitraums ungleich größere Fortschritte zu erwarten. Bisher liegen keine standardisierten Strategien zur Qualifizierung neuer Werkstoffe vor. Erst wenn die Anforderungen an den Werkstoff klar umrissen sind, können neue zielsicher beurteilt und vor allem auch für die Verfahren zugeschnitten werden. Am Beispiel des Selektiven Lasersinterns wurde in diesem Beitrag gezeigt, dass die zielgerichtete Werkstoffanalyse gemeinsam mit einer geeigneten Prozessmodellierung völlig neue Anwendungsfelder besetzen lässt. 7 Literaturverzeichnis [1] Weidinger J.; Methner M.: Rapid Technologie auf dem Weg zur Serienproduktion. In: Kunststoffe 5 (2005), S. 68-72 [2] Rietzel, D.; Wendel, B.; Feulner, R.W.; Schmachtenberg, E. Brunnecker J.; Frick T. 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Schmidt, Meisenbach-Verlag Bamberg, S. 323-331 Stichworte: Additive Fertigung, Prozessmodelle, Selektives Lasersintern, Kunststoffe für die Additive Fertigung Keywords: Additive Processing, Process Models, Selective Laser Sintering, Polymers for Additive Processing Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 19 © 2008 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Schmachtenberg, Feulner, Rietzel, Wendel Autor/author: Prof. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg (Professor) Dipl.-Ing. Robert Feulner (Autor) Dipl.-Ing. Dominik Rietzel (Autor) Dipl.-Ing. Bettina Wendel (Autor) Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Kunststofftechnik Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Herausgeber/Editor: Europa/Europe Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein, verantwortlich Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Deutschland Phone: +49/(0)9131/85 - 29703 Fax.: +49/(0)9131/85 - 29709 E-Mail-Adresse: [email protected] Verlag/Publisher: Carl-Hanser-Verlag Jürgen Harth Ltg. Online-Services & E-Commerce, Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen Kolbergerstrasse 22 81679 Muenchen Tel.: 089/99 830 - 300 Fax: 089/99 830 - 156 E-mail-Adresse: [email protected] Zeitschrift Kunststofftechnik 4 (2008) 3 WW Kunststoff - Laserprozess E-Mail-Adresse: [email protected] Webseite: www.lkt.uni-erlangen.de Tel.: +49(0)9131/85297-00 Fax: +49(0)9131/85297-09 Amerika/The Americas Prof. Prof. h.c Dr. Tim A. Osswald, responsible Polymer Engineering Center, Director University of Wisconsin-Madison 1513 University Avenue Madison, WI 53706 USA Phone: +1/608 263 9538 Fax.: +1/608 265 2316 E-Mail-Adresse: [email protected] Beirat/Editorial Board: Professoren des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik/ Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology 20