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Untersuchung der Bauteilhaftung in der Fused Filament Fabrication

Laumann, Daniel (2024)
Untersuchung der Bauteilhaftung in der Fused Filament Fabrication.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026645
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Untersuchung der Bauteilhaftung in der Fused Filament Fabrication
Language: German
Referees: Dörsam, Prof. Dr. Edgar ; Weigold, Prof. Dr. Matthias
Date: 28 February 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 53 Seiten
Date of oral examination: 17 May 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026645
Abstract:

Fused Filament Fabrication (FFF) spielt eine immer wichtigere Rolle in der Industrie und ist mittlerweile in zahlreichen Branchen ein etabliertes Verfahren. Dennoch treten vor allem bei der Verarbeitung von Hochleistungspolymeren immer noch Prozessfehler wie ein ungewolltes Ablösen des zu fertigenden Bauteils von der Bauplattform auf. Solche Prozessfehler werden durch eine mangelnde Adhäsion zwischen Bauteil und Bauplattform verursacht. Obwohl Adhäsion eine zentrale Bedeutung im FFF-Prozess spielt, erfolgte bisher kaum eine wissenschaftliche Betrachtung dieses Aspekts. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Dissertation grundlegende Zusammenhänge im FFF-Prozess untersucht. Um die auftretenden Adhäsionskräfte quantifizieren zu können wurde zuerst ein auf DIN EN 28510-1 basierendes Messverfahren entwickelt und ein entsprechender Prüfstand aufgebaut. Mit diesem Messverfahren wurden verschiedene Parameter identifiziert, die die Adhäsion im FFF-Prozess beeinflussen. Dazu zählt das Material der Bauplattform, die Verarbeitungstemperaturen, die Druckgeschwindigkeit sowie die Dicke der ersten Schicht, der Feuchtegehalt des Druckmaterials und die Kontaktzeit. Zwischen diesen Einflussgrößen bestehen Wechselwirkungen. Dies bedeutet, dass das Verändern einer Größe den Zusammenhang zwischen der Bauteiladhäsion und einer zweiten Größe ändert. So kann eine Steigerung der Düsentemperatur um 40 °C eine Änderung der gemessenen Adhäsionskraft um rund 100 N bewirken. Wird die selbe Messreihe aber auf einem anderen Bauplattformmaterial oder bei einer anderen Düsentemperatur wiederholt, zeigt eine Steigerung der Düsentemperatur praktisch keine Wirkung mehr. Das Identifizieren und Charakterisieren solcher Wechselwirkungen zwischen den oben aufgelisteten Einflussgrößen ist ebenfalls Gegenstand dieser Arbeit. Die Kenntnisse, welche Prozessparameter eine Rolle spielen und wie diese miteinander zusammenhängen, werden zu einer Klassifizierung und einem Ranking zusammengeführt. Dies erlaubt Anwendern eine gezielte Verbesserung der Prozessparameter im Falle einer zu geringen Adhäsion. Durch die gewonnenen Erkenntnisse können auch Rückschlüsse auf die wirkenden Adhäsionsmechanismen gezogen werden: Für die Adhäsion zwischen Borosilikatglas und Pertinax als Bauplattformmaterial und dem verdruckten Material wird vorgeschlagen, dass Wasserstoffbrückenbindungen eine zentrale Rolle spielen. Wird hingegen Messing als Bauplattformmaterial genutzt, deuten die Ergebnisse dieser Dissertation auf eine Ionenbindung hin. Diese entsteht nach einer chemischen Reaktion der auf der Messingoberfläche befindlichen Oxide und funktionellen Gruppen des zu verdruckenden Kunststoffs. Mit diesen neuen Erkenntnissen können Anwender nun je nach zu verdruckendem Material eine optimales Bauplattformmaterial auswählen ohne zuvor die Eignung in Parameterstudien untersuchen zu müssen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

FFF is playing an increasingly important role in industry and is now an established process in numerous sectors. Nevertheless, process errors such as unintentional detachment of the part to be printed from the build platform still occur, especially in the processing of high-performance polymers. Such process errors are caused by a lack of adhesion between the part and the build platform. Although adhesion plays a central role in the FFF-process, this aspect has hardly been considered scientifically so far. For this reason, fundamental relationships in the FFF-process are investigated in this dissertation. In order to quantify the adhesive forces that occur, a measurement method based on DIN EN 28510-1 was first developed and a corresponding measurement device. This measurement method was used to identify various parameters that influence adhesion in the FFF-process. This includes the material of the build surface, the processing temperatures, the printing speed as well as the first layer’s thickness, the moisture content of the printing material and the contact time. There are interactions between these process parameters. This means that changing one parameter changes the relationship between the part adhesion and a second parameter. For example, an increase of the nozzle temperature by 40 °C can cause a change in the measured adhesion force by about 100 N. However, if the same series of measurements is repeated on a different build surface material or at a different build surface temperature, increasing nozzle temperatures will have nearly no effect. The identification and characterization of such interactions is also the subject of this work. The knowledge of which process parameters play a role and how they are interrelated is combined to form a classification and ranking. This allows users to make targeted improvements to the process parameters in the event that adhesion is too low. The knowledge gained also allows conclusions to be drawn about the acting adhesion mechanisms. For the adhesion between borosilicate glass and pertinax as build surface material and the printed material, it is suggested that hydrogen bonding plays a central role. If, on the other hand, brass is used as the build surface material, the results of this dissertation indicate that ionic bonding is involved. This is formed after a chemical reaction of the oxides present on the brass surface and functional groups of the plastic to be printed. With these new findings, users can now select an optimum build platform material depending on the material to be printed without having to investigate its suitability in parameter studies beforehand.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-266459
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD) > Automatisierung und Messtechnik
Date Deposited: 28 Feb 2024 13:06
Last Modified: 01 Mar 2024 08:32
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26645
PPN: 51590192X
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