Neben den konventionellen Herstellungsverfahren für thermoplastische Kunststoffbauteile nimmt der Anteil an additiven Fertigungsmethoden rasant zu. Vor allem selektiv lasergesinterte (SLS) Bauteile werden dabei zunehmend auch in mechanisch belasteten Strukturen angewendet.
Für mechanisch belastete Bauteile ist eine sichere Auslegung zwingend erforderlich, um Komponenten oder gar Gesamtsystemausfälle zu verhindern. Mithilfe kommerzieller Finite-Elemente-Simulationen kann die Auslegung maßgeblich unterstützt werden und Bauteile so material- und belastungsgerechter gestaltet werden.
Dies erfordert neben dem Bauteilmodell selbst eine adäquate Beschreibung des Materialverhaltens. Während unverstärkte Spritzgussbauteile mit isotropen Modellierungsansätzen gut beschrieben werden können, ist diese Annahme bei additiv gefertigten Teilen in der Regel nicht zu zutreffend. Dies ist auf den schichtweisen Herstellungsprozess zurückzuführen. Je nach Formteil-Ausrichtung im Druckerraum muss mit einer anderen mechanischen Performance gerechnet werden. In eine effiziente Bauteilauslegung müssen diese Eigenschaften einfließen.
Das vorgestellte Projekt zeigt Ansätze zur Identifikation und Ermittlung relevanter Materialdaten für FE-Simulationen und der Überführung in Materialmodelle kommerziell erhältlicher Solver. Hierbei steht die Berücksichtigung des anisotropen Materialverhaltens im Vordergrund. Vergleiche zeigen Potentiale und Grenzen unterschiedlicher Modellierungsansätze.
Hierfür werden Zug- und Scher-Probekörper, welche an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Orientierungen gedruckt wurden (vgl. Abb. 1) mechanisch geprüft. Dies gibt Auskunft über das Materialverhalten und dient als Basis für Materialmodelle.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Orientierung im Bauraum einen entscheidenden Einfluss auf die mechanische Performance hat, dies deckt sich mit dem allgemeinen Wissensstand [1, 2, 3].
Die ermittelten Materialeigenschaften werden in das Materialmodell für die Struktursimulation überführt. Ziel ist es mittels einer derart erstellten Eigenschaftskarte eine spezifische Simulationsmethodik für Strukturbauteile abzuleiten, die es erlaubt, Bauteile präziser auszulegen und Iterationsschleifen in der Designphase zu reduzieren.

Referenzen
[1]    B. Caulfield, P. E. McHugh, S. Lohfeld: Dependence of mechanical properties of polyamide components on build parameters in the SLS process, Journal of Materials Processing Technology, 2006, S. 477 – 488.
[2]     D. Riedlbauer, P. Steinmann, und J. Mergheim: Thermomechanical simulation of selective laser melting process for PA12 including Volumetric Shrinkage, AIP Conference Proceedings, 2015.
[3]     Y. Wang, C. M. DiNapoli, G. A. Tofig, R. W. Cunningham, und R. A. Pearson: Selective Laser Sintering Processing Behavior of Polyamide Powders, Materials Science, 2017.