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Das Lasersintern von Kunststoffen ermöglicht durch die schichtweise Fertigung eine nahezu unbegrenzte Geometriefreiheit. Ursprünglich fand das Verfahren insbesondere im Protoypenbau Anwendung. Im letzten Jahrzehnt konnte es sich im Bereich der schnellen und individualisierten industriellen Bauteilherstellung von Einzelteilen und Kleinserien etablieren. Allerdings stellt die Einstellung von reproduzierbaren Material- und Bauteileigenschaften, wie der Maßhaltigkeit, der Porosität oder der Mechanik immer noch eine Herausforderung dar. Dies ist auf die mannigfaltigen und in Wechselwirkung stehenden Material- und Prozesseinflüsse zurückzuführen, da diese die Temperaturhistorie bei der Bauteilentstehung direkt beeinflussen. Entsprechend des Stands der Forschung kommt dem Belichtungsvorgang die entscheidende Rolle zur Steuerung der Temperaturfelder und somit der Bauteileigenschaften zu. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Dissertation belichtungsparameter-, schicht- und geometriespezifisch die Belichtungstemperaturen analysiert und in Bezug auf die resultierenden Bauteileigenschaften bei der Verarbeitung von Polyamid 12 charakterisiert. Es wird festgestellt, dass die bei der Belichtung gemessenen geometrieabhängigen Maximaltemperaturen schichtunabhängig und aufgrund der kurzen Wirkdauer nicht maßgeblich für die resultierenden Bauteileigenschaften sind. Als entscheidende thermische Größen können die Abklingzeit und die Durchwärmung des Pulverbetts oberhalb der Schmelze identifiziert werden. Die Größen beschreiben die thermischen Wechselwirkungen zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten. Bei gleichbleibender Querschnittsfläche ist eine belichtungsparameterunabhängige Schichtabhängigkeit dieser Größen bis zur annähernden Schichtkonstanz bei zehn bis 15 Schichten nachweisbar. Diese Schichtkonstanz korreliert mit der Menge an Material, das basierend auf der Schmelztiefe aufgeschmolzen werden muss. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend kann der Bedarf an schicht- und geometrieabhängigen oder geometrieinvarianten Belichtungsparametern abgeleitet werden, um die Reproduzierbarkeit von Bauteileigenschaften weiter zu erhöhen. Laser sintering of polymers allows for the fabrication of parts with almost unlimited geometrical freedom through layer-by-layer production. Originally, the process was used for prototype generation, but in the last decade, the process emerged towards the field of rapid manufacturing and individualized industrial component production of individualized parts or small series. However, the defined setting of reproducible material and component properties, such as dimensional accuracy, porosity or mechanics remains a challenge. This is due to the manifold and interacting material and process influences that affect the temperature history of the component during part generation. According to the state of the art, the exposure process plays a decisive role in controlling the temperature fields and thus the component properties. For this reason, the temperature fields during exposure are analyzed within the framework of this dissertation. Therefore, exposure parameters and cross-sectional areas are varied. The layer-dependent and geometry-specific temperature values are measured via thermal imaging and validated with respect to the resulting component properties during processing of polyamide 12. It is found that the geometry-dependent maximum temperatures are layer-independent and, due to the short effective time of material-beam interaction, are not decisive for the resulting component properties. The decay time and the heating of the powder bed above the melt can be identified as decisive thermal variables. These values can be interpreted as measure for the thermal interactions between the subsequently manufactured layers. Regarding constant cross-sectional areas, a layer dependency can be detected, that is valid for different exposure parameters. Constant values can be measured after ten to 15 layers, which is correlating to the amount of material that has to be melted with respect to the melting depth. Based on these findings, the need for layer- and geometry-dependent exposure parameters or geometry invariant processing parameters can be derived to further increase the reproducibility of component properties. |
