Effiziente Prozessauslegung beim Verarbeiten von Polylactiden (PLA) in der Fused Filament Fabrication (FFF)

Additive Fertigungstechnologien (AM) bieten das Potenzial für erhebliche Kosteneinsparungen durch weniger Materialabfälle und die werkzeuglose Herstellung komplexer Geometrien. Die am weitesten verbreitete Technologie ist die Materialextrusion oder Fused Filament Fabrication (FFF), auch bekannt unter dem geschützten Markennamen FDM™ (Fused Deposition Modeling). Anwen-dungen sind in vielen Bereichen, von der Herstellung kleiner Implantate bis hin zu großen Kompo-nenten in Fahrzeugen, zu finden. Besonders die Verarbeitung von Polylactiden (PLA) findet auf Grund seiner Biokompatibilität gerade im Bereich der Medizintechnik häufig Anwendung.

Das Kalibrieren des Prozesses beim Drucken von PLA im FFF bringt jedoch Herausforderungen mit sich. Häufig kommt es während des Druckprozesses zu Forminstabilitäten durch Eigenspannungen und Verzug. Zusätzlich beeinflusst die Prozessführung maßgeblich die örtlich unterschiedlich aus-geprägte Kristallinität und Grenzflächenfestigkeit, und somit die Festigkeit der gesamten Bauteil-struktur. Die Wahl geeigneter Prozessparameter sowie Prozessstrategien erfolgt zumeist per „Trial-and-Error“ und nimmt daher viel Zeit und somit Kosten in Anspruch. Mithilfe einer Prozesssimulation könnte dieser Aufwand maßgeblich reduziert werden. Beispielsweise das in der kommerziellen Simulationssoftware ABAQUS zur Verfügung stehende Plugin zur Modellierung additiver Fertigungs-prozesse bietet für die Abbildung des FFF Verfahrens eine gute Grundlage, ist jedoch für die An-wendung im industriellen Kontext noch nicht ausreichend. Einerseits wird das komplexe Material-verhalten des PLAs nicht ausreichend genau abgebildet, da beispielsweise die Kristallisationskinetik oder die prozessinduzierten, lokalen und richtungsabhängen Materialeigenschaften nicht erfasst werden. Auch die direkte Verwendung des G-Codes ist zumeist nicht möglich. Darüber hinaus sind die Prüfumfänge für die Erstellung von Materialkarten und die Kalibrierung des Simulationsmodells sehr aufwendig. Aus diesem Grund werden häufig Literaturdaten als Annäherung verwendet oder gar keine Prozesssimulationen durchgeführt. Außerdem ist eine gezielte Validierung der Simulationsmethoden auf Grund der komplexen Charakterisierung sowie der prozessinduzierten Streuun-gen bis jetzt schwer umsetzbar. Im Rahmen dieses Vorhabens wird ein Simulationsansatz in ABAQUS zur effizienten Abbildung verzugsrelevanter Prozesseffekte, mit vertretbarem Aufwand für die Materialcharakterisierung, entwickelt. Es sollen Ansätze und Methoden für eine möglichst schnelle Simulation des FFF-Verfahrens sowie ein systematisches Vorgehen bei deren Validierung untersucht und erforscht werden, um ein effizienteres Auslegen der Prozessführung sowie eine vereinfachte Bauteilentwickelung additiv gefertigter Strukturen zu ermöglichen.