Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen mit im FDM- Verfahren generierten Formen

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1 Fachbereich Technik / Abt. Maschinenbau Constantiaplatz Emden M. Eng. Thomas Ebel Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen mit im FDM- Verfahren generierten Formen Oktober 2008

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Verfahren und Materialien Das FDM-Verfahren Verwendete Materialien FDM-Material Matrixmaterial Verstärkungsfasern Versuche Ergebnisse Abbildungen der Probewerkstücke Analyse der Versuche Rückschlüsse Einsatz des FDM-Verfahrens bei der Fertigung von FVK-Bauteilen Fazit...10 Anhang...11 Quellenverzeichnis...11 Glossar ABS FDM RP LOM GFK CFK Acrylnitril-Butadien-Styrol Fused-Deposition-Modelling Rapid-Prototyping Laminated Object Manufacturing Glasfaserverstärkter Kunststoff Kohlefaserverstärkter Kunststoff Dimension ist eine eingetragene Handelsmarke von Stratasys Inc., USA Epikote und Epikure sind eingetragene Handelsmarken von Hexion Specialty Chemicals, Inc., USA 1

3 1 Einleitung Als im Rapid-Prototyping-Labor der Fachhochschule Emden die ersten Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt werden sollten, stellte sich die Frage, wie die Formen generiert werden können. Im Labor stehen zwei RP-Anlagen zur Verfügung: eine LOM-Anlage, die aus Papier Modelle herstellt, und eine FDM-Anlage, die mit dem Thermoplast ABS arbeitet. Da auf das LOM-Verfahren hier nicht weiter eingegangen wird, soll es auch nicht näher beschrieben werden. Das FDM-Verfahren wird im folgenden Abschnitt erklärt. In einem Fall wurde dann ein Bauteil aus ABS gefertigt und mit GFK beschichtet. Nach der Aushärtung bei Raumtemperatur folgte eine Temperung bei 70 C gemäß den Angaben des Harzherstellers. Danach zeigte sich, dass sich der GFK stellenweise vom ABS abgelöst hatte. Hieraus entstand die Frage, unter welchen Umständen dieses stattfindet und ob man sich dieses Verhalten eventuell sogar zunutze machen kann. Der vorliegende Bericht beschreibt zunächst die verwendeten Verfahren und Materialien, und stellt die Ergebnisse der Untersuchungen vor. 2 Verfahren und Materialien 2.1 Das FDM-Verfahren FDM (Fused Deposition Modelling) ist ein sehr weit verbreitetes Rapid-Prototyping-Verfahren, mit dem Bauteile aus ABS generiert werden. Die verwendete Anlage Dimension SST768 des US-amerikanischen Herstellers Stratasys (siehe Abbildung 2), verfügt über einen Bauraum mit den Abmessungen 203 x 203 x 305mm (L x B x H). Im unteren Bereich des Fotos erkennt man die zwei Materialkassetten. Sie enthalten zum einen das Modellmaterial und zum anderen ein sogenanntes Supportmaterial, mit dem Stützen generiert werden, die anschließend manuell entfernt oder in einem Laugenbad ausgewaschen werden können. Beide Materialien liegen in Drahtform vor, und werden in der Anlage aufgeschmolzen und als dünne Schicht auf einer Bauplattform abgelegt. Die Breite des flüssigen Fadens beträgt ca. 0,5mm bei einer Schichtdicke von ca. 0,254mm. Dort, wo eine Fläche hergestellt wird, bzw. zwischen den Berandungen einer Wand oder eines Steges, wird der Film mäanderförmig abgelegt, um diese Fläche zu füllen. Die dadurch entstehende Struktur ist in Abbildung 1 angedeutet. Abbildung 1: Materialstruktur bei FDM 2

4 Abbildung 2: Dimension SST Verwendete Materialien FDM-Material Das in der FDM-Anlage Dimension SST768 verwendete Material ist ABS. Die Kenndaten lauten [1]: Eigenschaften Prüfmethode Einheit ABS Dichte 20 C ASTM D792 g/cm³ 1,05 Zugfestigkeit ASTM D638 N/mm² 22 Zug-E-Modul ASTM D638 N/mm² 1627 Dehnung ASTM D638 % 6 Biegefestigkeit ASTM D790 N/mm² 41 Biege-E-Modul ASTM D790 N/mm² 1834 Der Wärmeausdehnungskoeffizient von ABS liegt bei ca. 20 x 10-6 K. 3

5 2.2.2 Matrixmaterial Als Matrixmaterial wurde das Epoxydharz Epikote L1100 und der Härter Epikote Epikure EPH294 aus dem Hause R&G Faserverbundwerkstoffe verwendet. Es handelt sich hierbei um ein kaltanhärtendes, lösungsmittelfreies, ungefülltes 2-Komponentensystem mit einem langsamen Aminhärter [2]. Das Mischungsverhältnis liegt bei 100:30 Gewichtsteilen und die Verarbeitungszeit bei ca. 400 Minuten. Die Aushärtezeit betrug generell zunächst mindestens 15 Stunden bei Raumtemperatur. In einigen Fällen folgte eine 10-stündige Nachtemperung bei unterschiedlichen Temperaturen. Hier nun die Eigenschaften des Harzes nach einer Temperung von 2h bei 60 C und anschließend 2h bei 70 C [2]: Eigenschaften Norm Einheit L EPH294 Dichte 20 C DIN g/cm³ 1,135 Zugfestigkeit DIN Mpa (=N/mm²) 65,4 Bruchdehnung (Zug) DIN % 9,0 E-Modul (Zug) DIN MPa 3160 Biegefestigkeit DIN MPa 110 E-Modul DIN MPa 2730 Der Wärmeausdehnungskoeffizient für gehärtete EP-Harze (allgemein) liegt bei x 10-6 K Verstärkungsfasern Alle Musterteile wurden in zwei Varianten gefertigt: mit GFK und mit CFK. Hierzu wurden folgende Gewebe eingesetzt: - Glasfilamentgewebe 105g/m², Köper, nach Luftfahrtnorm - Kohlegewebe 160g/m², Leinwand, Garntyp 3K, nach Luftfahrtnorm Beide Gewebe wurden von R&G bezogen. 3 Versuche Um den Einfluß der Temperung zu untersuchen, wurden drei Testwerkstücke entworfen und angefertigt. Objekt 1: Platte 75mm x 75mm x 3mm Objekt 2: Platte 75mm x 75mm x 3mm mit 20mm Sockel, um ein Wölben der Platte zu vermeiden Objekt 3: Platte 75mm x 70mm mit seitlichen Stützen; Das Teil wurde stehend in der FDM- Anlage gefertigt, um auf einer seitlichen Fläche den FVK aufzubringen. Vertikale Flächen sind glatter als horizontale bei der Fertigung mit einer FDM-Anlage und hiermit soll geklärt werden, ob es Unterschiede beim Verbund mit einem FVK gibt. Die Bauteile sind nachfolgend in mehreren Abbildungen zu sehen. Sämtliche Probewerkstücke wurden zum einen mit 5 Lagen GFK und zum anderen mit drei Lagen CFK gefertigt. Bei den Objekten 2 und 3 wurde das Vakuumverfahren eingesetzt. Nach mindestens 15-stündigem Härten bei Raumtemperatur folgte bei je einem Werkstück des Typs 1 eine 10-stündige Temperung bei 70 C, 75 C oder 80 C. Je ein Werkstück wurde nicht getempert. Bei den Typen 2 und 3 wurden die getemperten Exemplare lediglich bei 75 C behandelt da im ersten Versuch kein relevanter Einfluss der Temperatur erkennbar war. 4

6 4 Ergebnisse 4.1 Abbildungen der Probewerkstücke Nachfolgend sind die fertigen Werkstücke abgebildet und unmittelbar erkennbare Ergebnisse aufgeführt. Objekt 1: Abbildung 4: Platten mit CFK und GFK Abbildung 3: Wölbung einer getemperten Probe Abbildung 5: Wölbung und teilweises Ablösen bei einer getemperten Probe Bei den getemperten Bauteilen ist eine Wölbung der Platte und ein partielles Ablösen der FVK-Schicht von der Platte erkennbar. Das Laminat lässt sich problemlos vom Träger lösen und die Oberfläche der Platte ist glatter durch verbleibendes Matrixmaterial. Ungetemperte Bauteile weisen einen festen Verbund zwischen FDM- und FVK-Teil auf. 5

7 Objekt 2: Abbildung 6: Platte mit Sockel Abbildung 7: Platte mit CFK-Beschichtung (ungetempert) Abbildung 8: Platte mit GFK-Beschichtung (ungetempert) Abbildung 9: Abgelöste Laminate Die zuvor bei der Herstellung im Vakuumverfahren über die Kanten gezogenen FVK-Ränder (Abbildung unten links) heben sich nach dem Tempern vom Rand ab. Auch findet ein teilweises Ablösen von der Platte statt, so dass die Laminate problemlos vom Träger entfernt werden können. 6

8 Objekt 3: Abbildung 10: Platte mit rückseitiger GFK- Beschichtung Abbildung 11: Wölbung einer getemperten Probe Abbildung 12: Ungetemperte Probe mit CFK Es konnte keine unterschiedliche Qualität des Verbundes zwischen ABS und FVK festgestellt werden. Horizontale und vertikale Flächen (bezogen auf die Orientierung in der FDM-Anlage während der Fertigung) verhalten sich trotz unterschiedlicher Oberflächenstruktur gleich. 7

9 4.2 Analyse der Versuche An den verschiedenen Probewerkstücken lassen sich folgende Beobachtungen machen, die zum Teil bereits in Bildunterschriften erwähnt wurden: ungetemperte Teile weisen einen festen Verbund zwischen dem FDM-Teil und der FVK-Auflage auf. bei getemperten Teilen trat, ohne erkennbaren Unterschied zwischen den verwendeten Temperaturen, eine teilweise Ablösung der FVK-Auflage auf. die FVK-Auflage der getemperten Teile liess sich problemlos von Hand vom FDM-Träger ablösen. bei getemperten Teilen, bei denen sich die Auflage nicht schon selbstständig gelöst hat, ist eine deutlich Aufwölbung sichtbar. es konnte kein unterschiedliches Verhalten zwischen während der Fertigung in der FDM- Anlage horizontelen und vertikalen Flächen festgestellt werden. 4.3 Rückschlüsse Es ist deutlich erkennbar, dass die Wärmedehnung des Matrixmaterials signifikant höher ist, als die des FDM-Trägermaterials ABS. Dieses führt zu Schubspannungen in der Kontaktschicht zwischen ABS und Auflage, welche zu Rissen im Matrixmaterial führen können, und ein manuelles Lösen der Auflage ermöglichen. Ausgehend von den allgemeinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einer Bauteilkantenlänge von 75mm und einer Temperaturdifferenz von ca. 55K (75 C beim Tempern; 20^C Raumtemperatur), ergeben sich folgende, ungefähre, theoretische Werte für die Ausdehnung: ABS: 0,0825 mm EP-Harz: 0,2475 mm Allgemein formuliert liegt zwischen den Koeffizienten (siehe Kapitel 1.2) ein Faktor von 3 3, Einsatz des FDM-Verfahrens bei der Fertigung von FVK-Bauteilen Zunächst ist zu differenzieren, ob ein FDM-Bauteil permanent im Verbund mit dem FVK bleiben soll, z.b. als Sandwich-Kern oder zusätzliches Strukturelement, oder ob es nur als Form dienen soll, die nach Aushärtung vom eigentlichen Bauteil entfernt wird. Bei dauerhafter Verbindung der Teile führt das Tempern zu den zuvor beschriebenen Effekten, die nicht tolerierbar sind. Zur Erreichung der im Datenblatt aufgeführten mechanischen Eigenschaften wird jedoch ausdrücklich eine Nachtemperung empfohlen [2]. Es bliebe also nur der Verzicht auf das Erreichen der optimalen Werkstoffeigenschaften. Soll ein FDM-Element lediglich als Form dienen, so ist dies sehr gut praktizierbar: es ist keine Vorbereitung der Form (Auftrag eines Trennmittels) erforderlich; die Form ist sofort einsetzbar. Bei der Gestaltung der Form ist auf die allgemein gültigen Dinge zu achten, wie die Entformbarkeit durch Vermeidung von Hinterschnitten und das Vorsehen von Formschrägen. Der mehrfache Einsatz einer Form ist ebenfalls möglich. 8

10 5 Fazit Die Versuche haben gezeigt, dass im FDM-Verfahren hergestellte Bauteile eine sehr gute Eignung als Form für den Bau von Faserverbund-Werkstücken aufweisen. Sie sind schnell und präzise herstellbar und können direkt, ohne Verwendung von Trennmitteln, eingesetzt werden. Ebenso ist eine mehrfache Verwendung möglich, so dass die Werkzeugkosten minimiert werden. Als Sandwichmaterial sind FDM-Elemente nur bedingt einsetzbar, da auf eine Nachtemperung der Werkstücke verzichtet werden müsste, um eine Trennung von ABS und Faserverbundkunststoff zu vermeiden. Wenn die Anforderungen an das endgültige Bauteil die damit verbundene Reduzierung der mechanischen Werkstoffeigenschaften zulässt, ist ein solcher Einsatz jedoch problemlos möglich. Eine nachträgliche Ablösung des Faserverbundteils vom ABS-Teil wurde bislang bei ungetemperten Werkstücken nicht beobachtet. 9

11 Anhang Quellenverzeichnis [1] Datenblatt Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolimerisat (ABS) alphacam Fertigungssoftware GmbH, Schorndorf, 2004 [2] Datenblatt Epoxidharz L1100 / Härter EPH294 R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH, Waldenbusch, September

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