Best Practice: Werkstoffqualifizierung für Automobilandwendungen für einen Materialhersteller Prozessentwicklung und Optimierung der Bauteilqualität für einen fasergefüllten thermoplastischen Werkstoff
© DF.FotografieFür einen Materialhersteller, der unter anderem in die Automobilindustrie liefert, hatte das IKV bereits in einem vorherigen Projekt für den gleichen Auftraggeber die Verarbeitbarkeit eines fasergefüllten thermoplastischen Materials als Granulat in der Additiven Fertigung nachgewiesen. Dazu wurde die hybride Fertigungszelle des IKV genutzt, die es ermöglicht, Standardgranulate zu verarbeiten und auch große Bauteile in kurzer Zeit additiv zu fertigen. Im Zuge des Vorgängerprojektes wurden mit einer gekühlten Düse vielversprechende Ergebnisse erzielt. Durch die Entwicklung einer aktiv gekühlten Strangformungseinheit sollte die Oberflächenqualität im aktuellen Projekt weiter verbessert werden.
Designkonzept für Strangformungseinheit
In der ersten Projektphase wurde am IKV für die zur additiven Fertigung genutzte Extrusionsdüse eine Einheit zur präzisen Strangformung von langfasergefüllten Kunststoffen konzeptioniert. Dieser Schritt basierte auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojekts und bildete die Grundlage für die folgenden Projektschritte.
Bestimmung von Wärmefluss und Kühlkapazität
Nachdem das IKV die genauen Kennwerte des zu verarbeitenden Materials erhalten hatte, wurden die Wärmeströme und die notwendige Kühlleistung für die Strangkühlung berechnet. Um die optimale Abstimmung der Strangformung auf das bereitgestellte Material zu gewährleisten, wurden die Ergebnisse wurden mit dem Auftraggeber besprochen.
Entwurf und Bau der Strangformungseinheit
Die Strangformungsanlage wurde auf der Grundlage der vorherigen Berechnungen geplant und aufgebaut. Dazu wurden zusätzliche Komponenten zur Vervollständigung des Kühl- und Heizsystems beschafft.
Implementierung in der hybriden Fertigungszelle des IKV
Die Strangformungseinheit wurde in der hybriden Fertigungszelle implementiert, so dass Teile hergestellt werden konnten, um die Bewertung des entwickelten Systems zu ermöglichen.
Verarbeitungstests mit dem Werkstoff des Auftraggebers
Die Strangformungseinheit wurde mit verschiedenen vom Kunden bereitgestellten Materialmischungen getestet, die sich in Glasfasergehalt, Schmelzflussrate und Faserlänge unterschieden.
Die Versuche erfolgten in enger Zusammenarbeit Auftraggeber sodass Prozess- und der Teilequalität durch gezielte Variation der Compoundzusammensetzung weiter optimiert werden konnten.
Produktion von Prüfkörpern
Auf der Anlage wurden Kästen produziert, aus denen dann die Prüfkörper ausgeschnitten wurden. Für jede Materialvariante wurden jeweils mehrere Probekörper in Aufbaurichtung (0°) und in Strangrichtung (90°) entnommen.
Zusätzlich wurden die gleichen Kästen ohne die Strangformungseinheit hergestellt, um die Ergebnisse zu vergleichen und das entwickelte System bewerten zu können.
Untersuchung der Bauteile
Die Prüfkörper für die Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit wurden aus den Seitenwänden der Kästen entnommen. Zur Bestimmung der Oberflächenrauigkeit der additiv gefertigten Boxen wurde ein Laser-Scanning-Mikroskop eingesetzt. Die Faserorientierung wurde anhand von CT-Analysen bestimmt.
Für die mechanische Prüfung wurden den hergestellten Kästen rechteckige Streifen mit jeweils vier Seitenflächen entnommen und Universalprüfmaschine geprüft.
Die Testergebnisse wurden in einem Bericht zuammengefasst und können für die weitere Optmierung von Prozess und Material genutzt werden.
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