Werkstoffliche und prozesstechnische Aspekte zur Verbesserung der Bindeschichtqualität in einem lasergestützten FFF-Verfahren

Im FFF-Verfahren (engl. Fused Filament Fabrication) liegt derzeit die größte Anwendung in der Realisierung von Prototypen für die Visualisierung. Zukünftig sollte jedoch die Fertigung serientauglicher Teile die auch mechanisch-strukturellen Anforderungen genügen an Bedeutung zunehmen. Voraussetzung dafür ist eine Verbesserung der Interfilamentverbindung bei FFF-gefertigten Teilen, um auch normal zur Filamentorientierung ausreichend hohe mechanische Festigkeiten zu erzielen. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher in der Schaffung einer verbesserten Materialverbindung zwischen den einzelnen Filamentsträngen. Die Verbesserung der Bindeschichtqualität soll mittels Wärmezufuhr durch einen Diodenlaser während des Druckvorganges realisiert werden. Zur experimentellen Durchführung wurden zwei für das FFF-Verfahren gängige Materialtypen, Polymilchsäure (PLA) und Acryl-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), herangezogen. Nach Produktion eines speziell additivierten Monofilaments zur besseren Absorption der Laserstrahlung in der lasergestützten Methodik, erfolgte die Herstellung von Prüfkörpern. Als Referenz wurden bei gleichen Material- und Prozessparametern Prüfkörper im herkömmlichen FFF-Verfahren hergestellt. Die Charakterisierung der unterschiedlich hergestellten Prüfkörper erfolgte optisch-visuell mittels Stereomikroskop und mechanisch über Zugversuche. Die Wirksamkeit der lasergestützten Methode konnte über Versuche durch Anpassung der Prozessparameter beim FFF-Verfahren nachgewiesen werden. Nach Findung der jeweils optimalen Druckgeschwindigkeit (äquivalent zur eingebrachten Laserleistung) für die Werkstoffe PLA und ABS, zeigte sich bereits bei optischer Betrachtung der Bruchflächen von Prüfkörpern mit normal zur Zugrichtung abgelegten Filamenten eine deutliche Erhöhung der plastischen Deformationsfähigkeit, indikativ für eine verbesserte Interfilamentverbindung der abgelegten Filamentstränge. Dies wurde durch die im Zugversuch ermittelten mechanischen Eigenschaftskennwerte bestätigt. So wurden für optimierte Druckgeschwindigkeiten Bruchspannungssteigerungen von ~20% für PLA bzw. ~7% für ABS erreicht. Bei den Bruchdehnungen lagen die Steigerungen bei ~21% für PLA bzw. ~34% für ABS. Die Methodik des lasergestützten FFF-Drucks bietet somit großes Potential für mechanisch-strukturell optimierte Funktionsbauteile mit gezielt eingebrachter Anisotropie.