Einführung
Selektives Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren, das in der Regel für das Rapid Prototyping und die Kleinserienfertigung von Funktionsbauteilen eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Laserstrahl eingesetzt, um pulverförmiges Material zu sintern und zu einer festen Struktur zu verbinden. Der Laser verschmilzt selektiv vordefinierte Bereiche eines Pulverbettes, indem er Querschnitte abtastet, die anhand einer digitalen 3D-Beschreibung des gewünschten Teils erstellt wurden. Nach dem Scannen jedes Querschnitts wird eine neue Materialschicht aufgetragen, und der Prozess wird wiederholt, bis das Teil fertig ist.
Die Erzeugung der Pulverschichten ist ein Präzisionsverfahren und erfordert ein Ausgangsmaterial, das vom Fördersystem zuverlässig verteilt werden kann und gleichmäßig und ohne Agglomerate oder Hohlräume auf dem Fabrikationsbett abgelagert wird. Ein unregelmäßiger Fluss oder Agglomerate in der Schüttung führen zu einer ungleichmäßigen Ablagerung, was sich negativ auf die Effizienz des Prozesses und die Eigenschaften des Endprodukts auswirkt. Die Ermittlung der Pulvereigenschaften, die die Bildung gleichmäßiger, wiederholbarer Schichten begünstigen, ermöglicht die Optimierung neuer Formulierungen und die Identifizierung geeigneter Rohstoffe, ohne dass der erhebliche finanzielle und zeitliche Aufwand entsteht, der mit dem Durchlaufen eines Prozesses zur Bewertung der Kompatibilität der Materialien verbunden ist. Dieser Ansatz trägt auch dazu bei, das Auftreten von Endprodukten, die nicht den Spezifikationen entsprechen, zu verringern.
Die Wirkung verschiedener Zusatzstoffe
Drei Proben von Polyoxymethylen (POM), von denen zwei unterschiedliche Zusatzstoffe (ein Pigment und ein Gleitmittel) enthielten, wurden in einer SLS-Maschine verwendet. Es wurde festgestellt, dass die drei Formulierungen unterschiedlich aus dem Vorratsbehälter in die Maschine flossen, was zu Schwankungen bei den Eigenschaften und der Qualität des Endprodukts führte. Es wurde eine Reihe herkömmlicher Charakterisierungsverfahren eingesetzt, die jedoch keine Differenzierung zwischen den Proben ermöglichten. Die drei Formulierungen wurden daher mit einem FT4 Pulverrheometer® analysiert, das klare und wiederholbare Unterschiede zwischen ihnen aufzeigte, die die Leistung im Prozess rationalisierten.
Test Ergebnisse
Dynamische Prüfung: Grundlegende Fließfähigkeit Energie
Die Probe mit dem Fließhilfsmittel wies eine höhere Basis-Fließfähigkeitsenergie (BFE) auf als die beiden anderen Proben, d. h. es wurde mehr Energie benötigt, um die FT4-Klinge durch das Pulverbett zu bewegen. In diesem Fall ist eine hohe BFE ein Indikator für eine effizientere Packung innerhalb der Schüttung und deutet darauf hin, dass die Zugabe des Fließadditivs zu einem besser fließenden Material geführt hat.
Schüttgutprüfung: Durchlässigkeit
Die Probe mit dem Fließhilfsmittel erzeugte den höchsten Druckabfall über dem Pulverbett bei einer geringen Verfestigungsspannung, was auf eine geringere Permeabilität hindeutet und den dichteren Packungszustand dieses besser fließenden Materials widerspiegelt. Während der Druckabfall bei allen drei Proben mit zunehmender Verfestigung anstieg, wiesen das reine POM und die pigmenthaltige Probe eine weitaus größere Veränderung auf als die Probe mit Fließhilfsmittel.
Eine geringe Empfindlichkeit gegenüber einer Veränderung der Konsolidierung ist ein weiterer Indikator für ein effizienter gepacktes Schüttgut, d. h. es gibt weniger Luftporen, in die sich die Partikel bewegen können, wenn sie einer äußeren Kraft ausgesetzt werden. Die Durchlässigkeit der pigmenthaltigen Probe änderte sich am stärksten, was auf ein größeres Volumen an mitgerissener Luft innerhalb des Schüttguts hindeutet, was auf eine höhere Kohäsivität hindeutet.
Scherzellenprüfung
Hinsichtlich der gemessenen Scherspannungswerte wurde nur eine begrenzte Differenzierung zwischen den Proben festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass die Scherzellenprüfung möglicherweise nicht die relevanteste Technik für die Charakterisierung der Fließeigenschaften bei dynamischen Prozessen mit geringer Spannung ist, die bei SLS-Anwendungen vorherrschen.
Schlussfolgerung
Mit dem FT4 wurden eindeutige und wiederholbare Unterschiede zwischen drei Proben festgestellt, von denen bekannt ist, dass sie sich im Prozess unterschiedlich verhalten. Die Ergebnisse zeigen auch, dass eine einzige Technik (wie die Scherzellenprüfung) möglicherweise nicht ausreicht, um das Verhalten von Pulvern über eine Reihe von Spannungs- und Fließregimen hinweg vollständig zu beschreiben.
Die Fließfähigkeit des Pulvers ist keine inhärente Materialeigenschaft, sondern vielmehr die Fähigkeit des Pulvers, in einem bestimmten Gerät in der gewünschten Weise zu fließen. Eine erfolgreiche Verarbeitung setzt voraus, dass das Pulver und der Prozess gut aufeinander abgestimmt sind, und es ist nicht ungewöhnlich, dass dasselbe Pulver in einem Prozess gut, in einem anderen aber schlecht fließt. Dies bedeutet, dass mehrere Charakterisierungsmethoden erforderlich sind, deren Ergebnisse mit der Prozesseinstufung korreliert werden können, um einen Designraum mit Parametern zu erstellen, die einem akzeptablen Prozessverhalten entsprechen. Anstatt sich auf die Charakterisierung einer einzigen Zahl zu verlassen, um das Verhalten in allen Prozessen zu beschreiben, simuliert der multivariate Ansatz des FT4 eine Reihe von Betriebseinheiten und ermöglicht so die direkte Untersuchung der Reaktion eines Pulvers auf verschiedene Prozess- und Umweltbedingungen.
