Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7651
Main Title: Verfahrenstechnische Weiterentwicklung des Fused Layer Manufacturing zur Reduzierung der Anisotropie im Bauteil
Translated Title: Further development of fused layer manufacturing to reduce anisotropy in the part
Author(s): Butzke, Jens
Advisor(s): Reimers, Walter
Referee(s): Wagner, Manfred
Weinlein, Roger
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: 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.
Additive Manufacturing Processes are commonly used to generate prototypes in industrial environments. One such process is the 2½-dimensional Fused Layer Manufacturing (FLM) ptototyping process. The FLM uses thermoplastic filaments to create physical parts for initial investigations and inspections. However, the current FLM process is not capable of producing functional prototypes due to the weak interlayer cohesion of the parts. The weakness of the internal structure is due to the marginal interlaminar bonding of each layer to the top layer which is additionally overlapped by continiously generated notches inside the structure of the parts. By using an enhanced low-cost FLM-device (at a cost of typically 1.000 €) with open build space and open-source software, it is possible to create a significant interlayer-bonding improvement. If the surface of the part is exposed to a higher temperature at the moment of joining, either by focused infrared radiation or the use of hot air, then the overall layer cohesion is significantly increased. The enhanced layer cohesion due to molecular entanglements can be quantified by impact-testing the parts according to the Charpy method, and the the optical appearance of the fracture surface is changed due to crazing. The improvement of the interlayer bonding is represented by the increase of impact energy. By optical microscopy it can be shown that layer cohesion is increased by use of the methodically developped process enhancements. Identical test specimen were manufactured using a high-end FLM device (investment cost of the order of 15.000 €) with a build-chamber temperature of 75 °C, and were tested under similar conditions. The results here showed comparable interlayer-bonding as obtained by the low-cost FLM device, thus validating the improved deposition process developed for producing functional prototypes with a low-cost FLM device.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8505
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7651
Exam Date: 3-Sep-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 30-Jan-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften
621 Angewandte Physik
Subject(s): additive manufacturing
rapid prototyping
fused layer manufacturing
fused deposition modeling
fused filament fabrication
mechanical properties
anisotropy
impact properties
infrared
hot air
pre-treatment
Pre-Prozess
Additive Fertigung
Generative Fertigungsverfahren
Kunststoffschweißen
Anisotropie
unidirektional
Anisotropiefaktor
Mesostruktur
low-cost
open source
build chamber
Schichthaftung
interlaminar
intralaminar
In-Line Aktivierung
Bauraumtemperierung
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Series: Schriftenreihe Kunststoff-Forschung
Series Number: 85
EISSN: 2197-814X
ISSN: 978-3-7983-3042-9
Notes: Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3041-2 (ISSN 0174-4003).
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