Rechnergestützte Verzugsvorhersage in der extrusionsbasierten additiven Fertigung von Kunststoffbauteilen

Eine lange Zeit waren extrusionsbasierte additive Fertigungsverfahren im industriellen Umfeld überwiegend zur Herstellung von Konzeptmodellen im frühen Entwicklungsstadium etabliert. Mit zunehmendem technologischem Fortschritt bei Anlagen und Werkstoffen hat sich ihr Einsatzgebiet in jüngerer Vergangenheit deutlich ausgeweitet und reicht nun über funktionale Prototypen bis hin zu marktreifen Bauteilen in Kleinserien. Dies bedingt höhere Qualitätsansprüche und steigenden Kostendruck, der wiederum ein höheres Risiko für Prozessfehler durch Bauteilverzug mit sich bringt. Um dieses Spannungsfeld bewältigen zu können, bedarf es einer präzisen Auslegung des Fertigungsvorgangs, die ihrerseits ein grundlegendes Prozessverständnis erfordert.
Validierte virtuelle Methoden tragen in diesem Kontext erheblich zum Erkenntnisgewinn bei, da sie Einflüsse isoliert betrachten und Einblicke in nicht messbare Größen liefern können. Bisherige Ansätze fokussieren sich jedoch nur auf einzelne Teile des Gesamtvorgangs, sodass auch die Verzugsvorhersage auf idealisierenden Annahmen beruht. Damit eine gleichermaßen umfassende und schlanke Prozessauslegung möglich wird, müssen Erkenntnisse zu anderen Teilvorgängen des Fertigungsverfahrens auf effiziente Weise in die Verzugsvorhersage integriert werden.
Vor diesem Hintergrund verfolgt die vorliegende Arbeit das Ziel, eine rechnergestützte Methodik zu entwickeln, die den Bauteilverzug im extrusionsbasierten additiven Fertigungsverfahren vorhersagt und hierfür das Fließ- und Schwindungsverhalten bei der Strangablage berücksichtigt.
Mithilfe einer numerischen Sensitivitätsanalyse wird zunächst der Einfluss der Strangdimensionen auf den Bauteilverzug quantifiziert. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass diese Größen maßgeblich zum Bauteilverzug beitragen. Mit einer analytischen Berechnung wird im nächsten Schritt der Temperatureinfluss bei der Strangausformung abgeschätzt. Dieser wird insbesondere bei den Randbedingungen großvolumiger Fertigungsverfahren als vernachlässigbar eingestuft. Aufbauend auf den Ergebnissen wird ein isothermes numerisches Modell für die Strangausformung erzeugt und anhand dieses Modells eine Methodik zur effizienten und einheitlichen Ermittlung der Strangform ausgearbeitet. Zu diesem Zweck werden die Zeit- und Ortsabhängigkeit der Strangform analysiert und in Parameterstudien der Einfluss von Modell- und Fertigungseinstellungen auf die Strangform evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Wirkzusammenhänge bei der Strangausformung empirisch beschreiben lassen.
Zusätzlich wird ein nicht-isothermes numerisches Modell der Strangschwindung erzeugt, um das Modell der Strangausformung zu erweitern und die zeitliche Änderung der Strangform während der Abkühlung zu beschreiben. Anhand dieses Modells werden in Parameterstudien die Wirkzusammenhänge bei der Schwindung des Strangs ermittelt. Da die Modelle für Strangausformung und -schwindung eine sequenzielle Prozesskette bilden, wird zudem die Fehlerfortpflanzung innerhalb dieser Prozesskette untersucht. Diese liegt in der Größenordnung des inhärenten numerischen Fehlers. Eine abschließende experimentelle Validierung der entwickelten Methodik zeigt einerseits, dass die Einflüsse von Fertigungseinstellungen qualitativ richtig beschrieben werden. Andererseits legen die ermittelten quantitativen Abweichungen nahe, dass diverse weitere Effekte den Bauteilverzug maßgeblich beeinflussen und zukünftig in die Gesamtbetrachtung miteinbezogen werden müssen.