Additiv gefertigte Schaumsandwichstrukturen – ein neuartiger Ansatz zur generativen Herstellung und Charakterisierung von schaumbasierten, dreidimensional gradierten Werkstoffen für den Leichtbau

M.Sc. Anselm Heuer

3D-gedruckte Bauteile werden im Innern üblicherweise nicht komplett gefüllt gedruckt, um Material und Druckzeit zu sparen. Hierdurch können ohne großen Aufwand poröse Bauteile hergestellt werden. Diese Porosität besteht im Vergleich zu feinzellulären Schäumen aber aus großen Hohlräumen (makroskopische Porosität) und kleinere Hohlräume unter der Druckauflösung können nicht realisiert werden. Durch Aufschäumen eines Kunststoffs mit einem chemischen oder physikalischen Treibmittel könnten solche kleinen Hohlräume bzw. feinzellulären Schäume (mikroskopische Porosität) hergestellt werden. Aus einer Kombination dieser beiden Prozesse der Porositätserzeugung, könnten ganz neue poröse Bauteile (makroskopische und mikroskopische Porosität) mit neuen Eigenschaften hergestellt werden. Es wären zum Beispiel gradiert geschäumte und nur lokal geschäumte Strukturen möglich. Der Anwendungsbereich des Fertigungsprozesses „3D-Druck“ wird so auf komplexe gradierte Schaumstrukturen erweitert.

Ziele

• Herstellung und Charakterisierung von komplexen Bauteilen mit gradierter Schaumstruktur.
• Beobachtete Schwundkompensation untersuchen.
• Mögliche Beeinflussung der Grenzfläche zwischen den gedruckten Bahnen untersuchen.
• Anwendungsfelder in der Medizintechnik und für Filter und Membranen ausmachen

Vorgehen

• Mit geeigneter Materialkombinationen (Kunststoff und chem. Treibmittel) und geeigneten Prozessparametern werden einfache In-Situ geschäumte 3D-gruckte Proben hergestellt (Anlage Freeformer).
• Charakterisierung der Schaumstrukturen durch Prüfung der mechanischen Eigenschaften und Auswertung von µCT-Untersuchungen. Genaue Bestimmung der Prozesseinflussgrößen auf die Schaumstruktur.
• Messen der Grenzflächenfestigkeit zwischen gedruckten Bahnen.
• Untersuchung des Schwunds an einem teilkristallinen Kunststoff. Durch das Schäumen eine Schwundkompensation erreichen.
• Herstellung von komplexen Bauteilen mit gradierter Schaumstruktur.
• Demonstratoren für Anwendungsfelder in der Medizintechnik und für Filter und Membranen entwerfen und herstellen. Einfache Untersuchung dieser Demonstratoren auf Funktionserfüllung.

Methoden

• Mikroskopische Untersuchung von „Tropfenketten“.
• Messung der Dichte mit dem Messprinzip von Archimedes.
• Statistische Versuchsplanung für die Bestimmung der Prozesseinflussgrößen.
• Zug-, Druck- und Biegeversuche.
• µCT-Untersuchung zur Bestimmung der makroskopischen und mikroskopischen Porosität.
• Trennung der makroskopischen und mikroskopischen Porosität durch Algorithmen.
• Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie.