Verfahrenstechnische Weiterentwicklung des Fused Layer Manufacturing zur Reduzierung der Anisotropie im Bauteil

Generative Fertigungsverfahren sind im industriellen Umfeld seit mehr als 30 Jahren ein weitverbreitetes Werkzeug zur Herstellung von Prototypen. Das Fused Layer Manufacturing (FLM) generiert im 2½-dimensionalen Strangablageverfahren Anschauungsmuster aus thermoplastischen Filamenten. Dass dieses Verfahren sich nur sehr eingeschränkt für die Herstellung von Funktionsmustern eignet, liegt in der starken Anisotropie der Schichtbauteile begründet. Die Schwachstelle der Bauteile mit Mesostruktur stellt die Haftung der einzelnen Bauteilebenen zueinander dar. Verringerte Hafteigenschaften in den Fügenähten werden in den Randzonen zusätzlich von fortwährend eingebrachten Spannungs-konzentrationen überlagert.
Eine räumlich wie auch softwareseitig offene Low-Cost-FLM-Anlage mit Investitionskosten von ca. 1000 €, wird um eine In-Line-Oberflächen-aktivierung erweitert. Durch diese Erweiterung mit Kosten von unter 250 € ist es gelungen, die Schichthaftung wesentlich zu verbessern. Wird eine Bauteilschicht vor dem Auftrag der nächsten mit infraroter Strahlung oder Heißluft aktiviert und somit die Temperatur im Moment des Fügens erhöht, so wird auch der kohäsive Anteil in der Fügezone gesteigert. Diese interlaminaren, molekularen Verschlaufungen müssen bei der zerstörenden Schlagprüfung nach Charpy gelöst werden, was sich augenscheinlich durch das Entstehen von Weißbruch abzeichnet. Die Erhöhung der Schlagarbeit zur Zerstörung der Prüfkörper mit aktivierter Oberfläche ist repräsentativ für die Steigerung der Schichthaftung. Anhand einer mikroskopischen Bruchflächenanalyse wird nachgewiesen, dass der kohäsive Anteil an der Gesamtfläche durch die Oberflächenaktivierung erhöht wird.
Die Fertigung und Prüfung der untersuchten Probekörpergeometrien auf einer High-End-FLM-Anlage mit geschlossenem, und auf 75 °C temperierten Bauraum und Investitionskosten von circa 15.000 €, führt zu ähnlichen Schichthaftungswerten wie bei der Low-Cost-FLM-Anlage und validiert die Funktionalität des weiterentwickelten Verfahrens.