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

Butzke, Jens

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

dc.contributor.advisor	Reimers, Walter
dc.contributor.author	Butzke, Jens
dc.contributor.grantor	Technische Universität Berlin	en
dc.contributor.referee	Wagner, Manfred
dc.contributor.referee	Weinlein, Roger
dc.date.accepted	2018-09-03
dc.date.accessioned	2019-01-30T10:26:15Z
dc.date.available	2019-01-30T10:26:15Z
dc.date.issued	2019
dc.description	Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3041-2 (ISSN 0174-4003).	de
dc.description.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.	de
dc.description.abstract	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.	en
dc.identifier.eissn	2197-814X
dc.identifier.isbn	978-3-7983-3042-9
dc.identifier.uri	https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/8505
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7651
dc.language.iso	de	en
dc.publisher.name	Universitätsverlag der TU Berlin	en
dc.publisher.place	Berlin	en
dc.rights.uri	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/	en
dc.subject.ddc	620 Ingenieurwissenschaften	de
dc.subject.ddc	621 Angewandte Physik	de
dc.subject.other	additive manufacturing	en
dc.subject.other	rapid prototyping	en
dc.subject.other	fused layer manufacturing	en
dc.subject.other	fused deposition modeling	en
dc.subject.other	fused filament fabrication	en
dc.subject.other	mechanical properties	en
dc.subject.other	anisotropy	en
dc.subject.other	impact properties	en
dc.subject.other	infrared	en
dc.subject.other	hot air	en
dc.subject.other	pre-treatment	en
dc.subject.other	Pre-Prozess	en
dc.subject.other	Additive Fertigung	de
dc.subject.other	Generative Fertigungsverfahren	de
dc.subject.other	Kunststoffschweißen	de
dc.subject.other	Anisotropie	de
dc.subject.other	unidirektional	de
dc.subject.other	Anisotropiefaktor	de
dc.subject.other	Mesostruktur	de
dc.subject.other	low-cost	de
dc.subject.other	open source	de
dc.subject.other	build chamber	de
dc.subject.other	Schichthaftung	de
dc.subject.other	interlaminar	de
dc.subject.other	intralaminar	de
dc.subject.other	In-Line Aktivierung	de
dc.subject.other	Bauraumtemperierung	de
dc.title	Verfahrenstechnische Weiterentwicklung des Fused Layer Manufacturing zur Reduzierung der Anisotropie im Bauteil	de
dc.title.translated	Further development of fused layer manufacturing to reduce anisotropy in the part	en
dc.type	Doctoral Thesis	en
dc.type.version	publishedVersion	en
tub.accessrights.dnb	free	en
tub.affiliation	Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien	de
tub.affiliation.faculty	Fak. 3 Prozesswissenschaften	de
tub.affiliation.institute	Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien	de
tub.publisher.universityorinstitution	Universitätsverlag der TU Berlin	en
tub.series.issuenumber	85	en
tub.series.name	Schriftenreihe Kunststoff-Forschung	en

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