Additive Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile mit dem Laser-Sinterprozess

Das Ziel dieser Dissertation besteht in der prozessseitigen Ertüchtigung des LS-Prozesses zur automatisierten Integration von Endlosfasern in die durch den LS-Prozess erzeugten Bauteilschichten. Durch die systematische Entwicklung einer LS-Maschine soll damit eine Kombination der Vorteile des LS-Prozesses mit den Vorteilen der Endlosfaserverstärkung erreicht werden. Zur Erreichung der übergeordneten Zielstellung erfolgen in dieser Arbeit die systematische Entwicklung einer prototypischen LS-Maschine mit automatisierter Endlosfaserintegration gemäß VDI 2221 sowie die Herleitung der durch das ausgewählte Faserintegrationskonzept bedingten Einfluss- und Zielgrößen. Im Rahmen einer Vorstudie werden initiale Betriebspunkte identifiziert, die den Ausgangspunkt für eine tiefgreifende Prozessanalyse mithilfe eines Split-Plot-Versuchsplans bilden. Anhand eines Finite-Elemente-Modells in COMSOL Multiphysics erfolgt anschließend die simulationsgestützte Bestimmung eines optimierten Betriebspunktbereichs für eine prozesssichere sowie reproduzierbare Endlosfaserintegration. Die identifizierten Betriebspunkte werden anschließend mithilfe eines Wirkungsflächenversuchsplans experimentell validiert und adaptiert. Auf Basis des erlangten Prozessverständnisses zur Endlosfaserintegration werden abschließend die systematische Steigerung des Faservolumengehalts (FVG) und die experimentelle Bestimmung mechanischer Zugeigenschaften von unidirektional verstärkten Proben gemäß ISO 527 adressiert. Im Vergleich zu unverstärkten PA12-Proben besitzen die gefertigten eFKV-Bauteile aus der entwickelten LS-Maschine einen um 30-Fach höheren E-Modul und eine um rund 8-Fach höhere Zugfestigkeit.