Optimierung der Bauteileigenschaften beim Selektiven Lasersintern von Thermoplasten Vom Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau der Universität Duisburg-Essen zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR-INGENIEUR genehmigte Dissertation von Andreas Sauer aus Sevelen/Issum Referent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt Korreferent: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe Tag der mündlichen Prüfung : 19. Juli 2005
Berichte aus der Fertigungstechnik Andreas Sauer Optimierung der Bauteileigenschaften beim Selektiven Lasersintern von Thermoplasten Shaker Verlag Aachen 2005
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Zugl.: Duisburg-Essen, Univ., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 3-8322-4428-X ISSN 0945-0769 Shaker Verlag GmbH Postfach 101818 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de email: info@shaker.de
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter der Professur Fertigungstechnik am Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen. Mein Dank gilt besonders Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt für die Möglichkeit zur Durchführung der Arbeit sowie das uneingeschränkte Vertrauen und die mir überlassenen Freiräume. Der stets freundschaftliche Umgang hat sich sicherlich positiv auf meine gesamte Tätigkeit am Institut ausgewirkt. Ebenso danke ich Herrn Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe für die Übernahme des Korreferates und die kritische Durchsicht meiner Arbeit sowie dem Vorsitzenden der Prüfungskommission, Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andrés Kecskeméthy. Ich bedanke mich herzlich bei meinen ehemaligen Kollegen Heinz Herold, Jutta Hoffmann, Jan Sehrt, Tonico Briem, Jens Standke, Markus Hastrich, Thomas Seul, Frank Beneke, Andreas Papsch, Daniel Fendrich, Uwe Weiner, Malte de Greiff, Oliver Schröter, Tom Stevanovic, Thorsten Brauer und Günter Doc Pfeiffer. Die sehr angenehme Atmosphäre hat sicherlich zum Gelingen meiner Arbeit beigetragen und wird dafür sorgen, dass mir die Zeit am Institut stets in guter Erinnerung bleibt. Eine wesentliche Grundlage für den Erfolg dieser Arbeit bilden die von mir betreuten Studien-, Projekt- und Diplomarbeiten. Dafür danke ich insbesondere Lars Preissner, Carsten Elm, Arndt Magnus, Norman Lupa, Lars Schieweg, Muhammad Cumcu, Oliver Schouren, Constanze Klauder und Ines Tillmann. Auch allen anderen studentischen Hilfskräften gilt mein Dank. Schließlich danke ich meinen Eltern Gitta und Eike Sauer, die mir das Studium des Maschinenbaus ermöglicht haben und mich stets unterstützt haben. Letztlich ist die vorliegende Arbeit auch das Resultat ihrer Investition. Danke! Für Birgit, Erik und Florian Kamp-Lintfort, im August 2005 Andreas Sauer
Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG... 1 2 VERFAHRENSGRUNDLAGEN UND STAND DER TECHNIK... 6 2.1 Einordnung in die RP-Technologien...6 2.2 Verfahrensprinzip Lasersintern...7 2.3 Technologische Kenntnisse...8 2.4 Werkstoffe und Anwendungen...11 2.4.1 Werkstoffqualität...11 2.4.2 Weitere Anwendungsbereiche...13 3 AUFGABENSTELLUNG UND ZIELSETZUNG... 14 4 KUNSTSTOFF POLYAMID FÜR DAS LASERSINTERN... 17 4.1 Thermisches Verhalten...17 4.2 Polyamid 12...18 4.3 Änderung der Werkstoffeigenschaften...20 5 GRUNDLAGEN DES LASERSINTERNS... 22 5.1 Prozessablauf...22 5.1.1 Entstehung einer Sinterlinie...23 5.1.2 Verbindung der Sinterlinien...24 5.1.3 Verbindung der Schichten...25 5.2 Übersicht der Einflussgrößen...26 5.3 Anlagenseitige Prozesseingangsgrößen...28 5.3.1 Laserstrahlquelle...29 5.3.2 Inertisierung und Downdraft...30 5.3.3 Temperaturprofil des Pulverbettes...31 5.3.4 Die Sinterstation 2000...32 5.4 Prozessseitige Einflussgrößen...34 5.4.1 Belichtung...34 5.4.1.1 Fill-Laser Power...34 5.4.1.2 Outline-Laser Power...35 5.4.1.3 Scangeschwindigkeit Speed V sf und V so...35 5.4.1.4 Slicer Fill Scan Spacing h s...35 5.4.1.5 Energiedichte...35 5.4.1.6 Skalierung...36 5.4.1.7 Sorted Fill...36 5.4.1.8 Scan-Strategie...36 5.4.1.9 Beam-Offset...37
II 0 Inhaltsverzeichnis 5.4.1.10 Rotate Scan Order (RSO)...38 5.4.2 Pulverauftrag...38 5.4.2.1 Powder layer thickness, d l...38 5.4.2.2 Roller Speed...39 5.4.3 Vorwärmtemperatur...39 5.4.3.1 Part Heater PID Set Point...39 5.4.3.2 Feed Heater set point...39 5.4.3.3 Piston Heater PID Set Point...40 5.4.4 Schrumpf...40 5.5 Materialseitige Prozesseingangsgrößen...40 5.5.1 Pulverzustand...40 5.5.1.1 Korngrößenverteilung...40 5.5.2 Optische Eigenschaften...41 5.5.3 Thermische Eigenschaften...42 5.6 Bauteilseitige Prozesseingangsgrößen...43 5.6.1 Geometrie...43 5.6.2 Abmessung...44 5.6.3 Positionierung...44 5.6.4 Orientierung...44 5.6.5 Sinterlinienlänge...44 5.7 Aufbereitung der CAD-Daten...44 5.7.1 Das STL-Format...45 5.7.2 Der Slicevorgang...46 5.7.3 Fehler in STL-Datensätzen...46 5.8 Weitere Eingangsgrößen...47 5.9 Prozessergebnis...48 5.10 Zusammenfassung...49 6 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN ZUR BAUTEILQUALITÄT... 51 6.1 Technische Oberflächen...51 6.1.1 Form- und Lagetoleranzen...52 6.1.2 Formabweichung...53 6.1.2.1 Geradheit (Stab)...53 6.1.2.2 Ebenheit (Fläche)...56 6.1.2.3 Rundheit (Zylinder)...56 6.1.2.4 Linienprofil...58 6.1.2.5 Flächenprofil...58 6.1.3 Lageabweichung...58 6.1.3.1 Richtung...59 6.1.3.2 Zentrizität...59 6.1.3.3 Symmetrie...60 6.1.3.4 Parallelität...60 6.1.3.5 Rechtwinkligkeit...60 6.1.3.6 Neigung...61 6.1.3.7 Rundlauf...61 6.1.3.8 Planlauf...61 6.1.3.9 Zusammenfassung...61
Inhaltsverzeichnis III 6.2 Versuchsplanung...62 6.2.1 Versuche zur Bauteilqualität...64 6.3 Gestalt...65 6.3.1 Maß...65 6.3.1.1 Schrumpfung als Funktion der Lage...67 6.3.1.2 Maßgenauigkeit mit Outline-Laser...68 6.3.1.3 Spaltmaße...72 6.3.2 Form und Lage...75 6.3.2.1 Einfluss der Bauhöhe...77 6.3.2.2 Flächenverzug...78 6.3.2.3 Gesamtverzug...78 6.3.3 Rauheit und Welligkeit von Oberflächen...78 6.3.3.1 Oberflächenrauheit beim LS...80 6.3.3.2 Wirkung des Outline-Lasers...83 6.3.3.3 Richtungsabhängigkeit der Rauhigkeit in XY-Ebene...84 6.3.3.4 Pulverqualität...85 6.3.3.5 Welligkeit...86 6.3.3.6 Spanende Bearbeitung...88 6.4 Mechanische Eigenschaften...89 6.4.1 Festigkeit...89 6.4.1.1 Festigkeit in der XY-Ebene...91 6.4.1.2 Festigkeit in Baufortschrittsrichtung (Z-Richtung)...96 6.4.1.3 Pulvertemperatur...100 6.4.1.4 Pulverqualität...101 6.4.1.5 Energiedichte...103 6.4.1.6 Linienabstand...104 6.4.1.7 Scangeschwindigkeit...105 6.4.1.8 Sinterreihenfolge...106 6.4.2 Bruchdehnung...107 6.4.2.1 Bruchdehnung in der XY-Ebene...107 6.4.2.2 Bruchdehnung in Baufortschrittsrichtung (Z-Richtung)...108 6.4.2.3 Pulvertemperatur...109 6.4.3 E-Modul...110 6.4.3.1 Elastizität in der XY-Ebene...110 6.4.3.2 Elastizität in Baufortschrittsrichtung (Z-Richtung)...111 6.4.3.3 Energiedichte...112 6.4.3.4 Sinterreihenfolge...113 7 PRAXISBEISPIELE... 114 7.1 Kabelklipp...114 7.2 Kippmulde...114 7.3 Steckdose...115 8 ZUSAMMENFASSUNG... 117 9 LITERATUR... 119
IV 0 Abkürzungen 0 Abkürzungen a Absorptionskoeffizient A Absorptionsgrad A Einstrahlfläche bo fx Beam-Offset Fill-Laser X-Richtung bo fy Beam-Offset Fill-Laser Y-Richtung bo ox Beam-Offset Outline-Laser X- Richtung bo oy Beam-Offset Outline-Laser Y- Richtung d e Eindringtiefe des Laserstrahls d l Überlappungshöhe d l Schichtdicke d p Übersinterung d s Schichtdicke d v Verzug d z Formabweichung in Z-Richtung E Elastizitätsmodul E k emittierte Strahlung des Körpers k E L Energiedichte E s emittierte Strahlung des schwarzen Körpers h b Höhe des Bauprozesses h s Hatchabstand, Linienabstand I ortsabhängige Intensität der Laserstrahlung I 0 maximale Intensität der Laserstrahlung im Strahlzentrum l Länge einer betrachteten Struktur l ist Istlänge l l Linienbreite l mw Welligkeitsmessstrecke l soll Sollänge M r Materialanteil n c Zahl der Überstreichungen eines Punktes n ll Zahl der Linien pro Schicht P b Laserleistung P bf Laserleistung Fill-Laser P bo Laserleistung Outline-Laser P bl pro Schicht eingebrachte Laserleistung P t Profiltiefe r radialer Abstand vom Zentrum des Laserstrahls R a der Mittenrauwert Radius des Laserstrahls r b R q R m R max R p R z der quadratische Mittenrauwert Zugfestigkeit die maximale Rautiefe Glättungstiefe gemittelte Rautiefe s Schwund s Ist Istmaß Spalt s min Mindestmaß Spalt s max maximale Schichtdicke s Soll Sollmaß Spalt s w Wachstum s x Skalierungswert X-Richtung s y Skalierungswert Y-Richtung s z Skalierungswert Z-Richtung t a Dauer Pulverauftrag t b Dauer Bauphase, Build Phase t c Abkühlzeit t c Dauer Abkühlphase, Cool down Phase t ges Einwirkdauer Laserstrahl t h Dauer Nachheizen t l Dauer Laseraktivität t p Prozessdauer t w Dauer Vorwärmphase, Warm Up Phase t sm Dauer Schichterstellung T g Glasübergangstemperatur T m0 Schmelztemperatur minus Vorheiztemperatur T s Schmelztemperatur T 0 Vorheiztemperatur Bauraum T 0F Vorheiztemperatur Vorrat v R Roller Speed, Drehgeschwindigkeit der Pulverwalze v s Scangeschwindigkeit Laser v sf Scangeschwindigkeit Fill-Laser v so Scangeschwindigkeit Outline-Laser W t Wellentiefe Z m Sintertiefe Z n Einzelrauwert ε Emissionsrate γ Überlappungsvariable γ Flächenwinkel zur Bauebene XY λ Wärmeleitfähigkeit κ Temperaturleitfähigkeit