Grundlegende Untersuchung und Modellierung der Filament Extension Atomization zur Herstellung von Polymerpulvern für das selektive Lasersintern

Das selektive Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren

für Kunststoffbauteile, welches bereits vielfältig im Bereich kleiner

Serienfertigungen eingesetzt wird. Eine weitere Verbreitung ist aber

derzeit durch eine stark eingeschränkte Materialauswahl behindert, da

das Ausgangsmaterial sehr spezifische disperse Eigenschaften aufweisen

muss. Während für PA12 ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von

SLS-Pulver existiert, können andere Polymere meist nur über energie- und

kostenintensive Prozesse (z.B. Kryomahlung und anschließende

Verwundung) hergestellt werden. Daher soll die Filament Extension

Atomization (FEA) als alternatives Herstellungsverfahren für

feindisperse, sphärische Polymerpartikel grundlegend untersucht werden,

um eine Modellierung zu ermöglichen und ein Verständnis zu entwickeln,

welche neuen Materialien bei passenden Prozessparametern zu SLS-Pulver

verarbeitet werden können. Die FEA ist ein neues Verfahren, um schwer zu

versprühende Flüssigkeiten – primär Polymerlösungen – bei

Raumtemperatur zu dispergieren. Das Verfahren besteht vereinfacht aus

zwei entgegengesetzt rotierenden Walzen, welche eine Flüssigkeit über

einen kleinen Spalt fördern, sodass sich beim Austreten einzelne

Filamente bilden, die dann in einzelne Tröpfchen zerfallen. Der große

Vorteil dieser Methode liegt darin, dass eine Dehnverfestigung und sehr

große Viskositäten, welche gewöhnliche Sprühprozesse i. d. R. unmöglich

machen, zur Filamententstehung vorteilhaft sind. Bisher gibt es

allerdings keine theoretische Modellierung des Prozesses, der

beispielsweise eine Vorhersage von Materialeignung oder entstehender

Tropfengröße ermöglicht. Dies ist für die Weiterentwicklung der Methode

unerlässlich. In diesem Forschungsvorhaben sollen die Lücken zwischen

der Modellierung, dem Prozess und der Materialwahl geschlossen und das

Verfahren dahingehend weiterentwickelt werden, Polymere bei geeigneten

Temperaturen zu verarbeiten. Der Fokus liegt auf der Modellierung des

Tropfenbildungsprozesses und der Vorhersage der Material- sowie der

Pulvereigenschaften. Hierfür sollen gezielte dehnrheometrische

Untersuchungen an teils selbst entwickelten Aufbauten durchgeführt

werden, um die Elementarprozesse bei der Filament- und Tropfenentstehung

isoliert betrachten zu können. Zusätzlich wird eine Apparatur zur FEA

im Labormaßstab aufgebaut, welche zuvor identifizierte Parameter wie

Walzenabstand und -geometrie oder Drehgeschwindigkeit und Temperatur

exakt variieren kann. Parallel werden die Prozesse theoretisch und

simulativ beschrieben. Ein Abgleich auf den unterschiedlichen Ebenen

soll es ermöglichen, die Modelle anzupassen und entsprechende

Materialparameter zu ermitteln, so dass eine Simulation des

Gesamtprozesses mit ausreichender Genauigkeit ermöglicht wird.

Abschließend ist die Herstellung kleiner Mengen Pulver und die

Verarbeitung in einer speziell modifizierten SLS-Anlage für geringe

Pulvermengen geplant.