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Forschung: Wärmeübertragung und Haftung zwischen den Schichten während des FFF 3D-Drucks

Ein Forscherteam der Universität Nantes hat kürzlich eine Studie veröffentlicht, in der die Wärmeübertragung und Haftung zwischen den Schichten beim FFF-3D-Druck untersucht wird. Das Ziel war den Wärmeaustausch im Druckprozess zu verstehen und den 3D-Druck dazu optimieren.

In der Arbeit erklären die Forscher, dass der FFF 3D-Druck gegenüber des Spritzgießens zwar eine größere Designfreiheit bietet, aber aufgrund der Porositäten in den Teilen und der schlechten Haftung zwischen den thermoplastischen Schichten weniger feste Objekte.

Die Haftung zwischen den Schichten wird hauptsächlich durch die Temperatur der Düse während der Extrusion bestimmt. Wenn sie zu niedrig ist, ist die Haftung schwach. Zu hoch, und das Polymer beginnt sich zu zersetzen, was zu einer niedrigen Viskosität und einem anschließenden strukturellen Zusammenbruch führt. Die Forscher in Nantes suchten daher den”Sweet Spot”, der die idealen Eigenschaften bietet. Sie untersuchten daher die Wärmeübertragung in jeder Phase des Prozesses.

Die Forscher erstellten ein prädiktives Modell, mit welchem die gesammelten Daten berechnet werden konnten. Während des gesamten Experiments verwendete das Team einen Creality CR-10 3D-Drucker mit ABS und kohlefaserverstärktem PEKK. Das Testmuster-3D-Modell, war sehr einfach, da sie damit das Wärmeübertragungsmodell sehr leicht anwenden konnten.

Die Temperaturmessungen wurden mit einer Infrarotkamera und einem Pyrometer durchgeführt. Nachdem die experimentellen Messungen durchgeführt worden waren, verglich das Team sie mit dem zuvor entwickelten vorausschauenden Modell. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass ihr Modell bei der Vorhersage der Wärmeübertragung während des Druckprozesses ausreichend korrekt war, da die Ergebnisse mit den physikalischen Messungen übereinstimmten.

Trotzdem waren sie aufgrund ihrer “schlechten Kenntnis der rheologischen Eigenschaften” nicht in der Lage, die Haftung zwischen den Schichten – zumindest quantitativ – genau vorherzusagen. Das Team erklärte, dass ihre nächsten Schritte darin bestehen würden, die Koaleszenzentwicklung der Polymere zu untersuchen, um die Bildung von Makroporositäten vorhersagen zu können. Dies würde den “globalen Grad der Adhäsion berechenbar” machen und Einblick in die Prozessparameter geben, die zur Herstellung von Hochleistungsteilen notwendig sind.

Die komplette Arbeit mit dem Titel “Heat Transfer and Adhesion Study for the FFF Additive Manufacturing Process” kann online kostenlos abgerufen werden.

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