Ansätze zur Werkstoffoptimierung beim Lasersintern durch Charakterisierung und Modifizierung grenzflächenenegetischer Phänomene

Mit “Lasersintern” wird ein formloses Formgebungsverfahren für thermoplastische Kunststoffe bezeichnet. Es bietet die Möglichkeit, aus den rechnergestützten Daten einer 3D-CAD-Zeichnung direkt ohne Verwendung von Formen in einem einstufigen Fertigungsprozess Modelle oder Funktionsprototypen zu erzeugen. Der Vorteil des Lasersinterverfahrens ist, dass es nahezu beliebig geformte Bauteilgeometrien ohne kostenintensive Form erzeugen kann. Hinsichtlich der erreichbaren Oberflächengüten lasergesinterter Bauteile bedarf es jedoch weiterer Optimierung. Durch manuelle Nachbearbeitungsverfahren wird derzeit die Oberfläche den Anforderungen angepasst, was sehr zeit- und kostenintensiv ist. Ein vielversprechender Weg zur Minimierung der Rauigkeit einer lasergesinterten Oberfläche und zur Verbesserung der Detailgenauigkeit stellt die Werkstoffoptimierung dar. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Wechselbeziehungen zwischen der Oberflächenbeschaffenheit eines Lasersinterbauteils und den Oberflächeneffekten an den Phasengrenzen eines verwendeten Pulverwerkstoffs zu bestimmen. Die Erkenntnisse sichern eine höchstmögliche Kantenschärfe zwischen Bauteil und Schmelze zur Erzielung einer möglichst glatten Prototypenoberfläche. Hierzu werden theoretische Ansätze einer Modellvorstellung zum Werkstoffverhalten beim Lasersintern von PA12 ausgearbeitet. So können die Eigenschaften eines Funktionspolymers formuliert werden, mit dem eine Oberflächenmodifizierung des Polyamidpulvers durchgeführt werden kann. Darauf aufbauend werden die Funktionspolymere synthetisiert und PA12-Teilchen nach dem Schale/Kern-Prinzip in ihrer Oberfläche modifiziert. Um die Wirksamkeit der Oberflächenmodifikation zu überprüfen, werden Grenzflächenuntersuchungen zwischen den Phasen Pulver/Pulver, Pulver/Schmelze und Schmelze/Schmelze durchgeführt. Die eingesetzten Untersuchungsmethoden simulieren die Wechselwirkungen an den Phasengrenzen beim Lasersintern. Die experimentellen Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit der Oberflächenmodifikation. Die Funktionspolymere verhalten sich abstoßend zur Schmelze, wodurch eine Absorption der Schmelze in das Pulver und das Agglomerationsverhalten zwischen den Pulverpartikeln minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass es möglich ist, durch die Oberflächenmodifikation des pulverförmigen Ausgangswerkstoffs eine Minimierung der Rauigkeit einer lasergesinterten Oberfläche zu erreichen. Die deutliche Trennung der Phasengrenze zwischen Pulver und Schmelze hat eine Minimierung der Bauteilrauigkeit zur Folge. Die dargestellten Ergebnisse tragen dazu bei, die Grenzflächeneffekte zwischen den Phasen beim Lasersintern besser zu verstehen, um daraus weitere Maßnahmen zur Werkstoffentwicklung ableiten zu können.