Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Neue Optimierungsansätze zum 3D-Druck von Bauteilen aus teilkristallinen Polymeren

In einer Vergleichsstudie haben Fraunhofer IMWS, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg additive Fertigungsverfahren mit PA12 und PLA untersucht. Aus Inline-Messungen (WAXS, DSC, FSC, DMA) und Simulationen lassen sich dabei Kriterien für eine homogene teilkristalline Struktur ableiten, was eine gezielte Prozessoptimierung ermöglicht.

FFF-Drucker der Firma 3NTR mit Halbzylinder-Demonstrator
© Fraunhofer IMWS
FFF-Drucker der Firma 3NTR mit Halbzylinder-Demonstrator. Das Inset zeigt eine Infrarot-Aufnahme während des Druckens. Der Temperaturgradient entlang der Bauteiltiefe ist deutlich erkennbar.

Additive Fertigung (AM) eröffnet vielfältige Möglichkeit für die Industrie in unterschiedlichen Branchen. Einige Vorteile der AM sind eine dezentralisierte Produktion, hoher Freiheitsgrad bei komplexem Formdesign, beschleunigte Produktentwicklung oder individualisierte Bauteilmengen. Fused Filament Fabrication (FFF), auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM), zählt zu den wichtigsten AM-Fertigungsmethoden. Hierbei wird ein thermoplastisches Polymer- oder Metallfilament durch eine beheizte Düse auf einem Druckbett abgelegt, Schicht für Schicht.

Während des Prozesses wird Hitze zyklisch auf das bereits gedruckte Bauteil eingebracht, durch das Ablegen von geschmolzenem Filament. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen führt das zu heterogenen Temperaturprofilen über das gesamte Bauteilvolumen. Zudem wirken Scherkräfte, die durch die Extrusion in der Düse und während des Platzierens des geschmolzenen Filaments auf der Bauteiloberfläche eingebracht werden, auf das Extrudat. Diese Prozessfaktoren und eine Vielzahl an Maschinenparametern beeinflussen die interne teilkristalline Struktur des fertigen Bauteils. Dies kann erhebliche Auswirkungen beispielsweise auf die mechanische Belastbarkeit oder die Geometrietreue haben. Daher ist es wichtig, die zu druckenden Materialien in Bezug auf Kristallstruktur, Kristallisations- und Relaxationszeiten zu charakterisieren, um hochwertige FFF-Bauteile mit homogenen Materialeigenschaften herzustellen.

Vergleichende Studie zu Kristallisations- und Relaxationszeiten

Ein Forschungskonsortium aus Fraunhofer IMWS, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg hat zwei teilkristalline thermoplastische Modelsysteme, Polyamid 12 (PA12) und Polymilchsäure (PLA), in einer vergleichenden Studie untersucht. Dieser Ansatz wurde gewählt, weil sich beide Systeme stark in ihrer Kristallisationszeit im prozessrelevanten Temperaturbereich unterscheiden. PA12 ist ein schnell kristallisierendes System, das je nach Temperaturbereich unterschiedliche polymorphe Zustände ausbildet. Das verwendete PLA-System hingegen kristallisiert im Vergleich langsam und lediglich in einer Kristallmodifikation.

Aus den Ergebnissen ließen sich Kriterien herleiten, die für die Herstellung von Bauteilen mit einer homogenen Kristallstruktur im FFF-Verfahren entscheidend sind. Dabei wurden beide unverarbeiteten Filamente mittels Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS), Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), Fast Scanning Chip Kalorimetrie (FSC) und Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) grundlegend charakterisiert und wichtige Parameter wie Kristallstruktur, Kristallisations- τc und Relaxationszeit τr bestimmt sowie mit prozessrelevanten Druckzeiten verglichen.

 

Fused Filament Fabrication (FFF) beeinflusst polymorphen Zustand und Kristallorientierung

In einem nächsten Schritt wurde die teilkristalline Struktur der FFF-Bauteile mit der des unverarbeiteten Filaments verglichen. Dabei zeigte sich, dass FFF großen Einfluss auf den polymorphen Zustand des PA12-Filaments hat, was zu einer orientierten und gemischten teilkristallinen Struktur führte. Der Kristallinitätsgrad blieb jedoch homogen über das gesamte Bauteilvolumen, unabhängig von der Betttemperatur. Im Vergleich dazu stellte sich heraus, dass die Betttemperatur bei PLA-Bauteilen großen Einfluss auf die Homogenität des Kristallinitätsgrades hat, die Kristallstruktur jedoch durchweg unorientiert vorliegt.

Durch den Vergleich der Druckzeiten mit den Kristallisations- und Relaxationszeiten beider Materialien konnte zudem gezeigt werden, dass die Orientierung der Kristalle im PA12-Bauteil durch schnelle Kristallisationszeiten und langsamere Relaxationszeiten hervorgerufen wird. Bei PLA hingegen dauert die Kristallisation immer länger als das Relaxieren der Makromoleküle, was die stets unorientierte Kristallstruktur der PLA-Bauteile erklärt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Kriterien für das Drucken von FFF-Bauteilen mit homogener teilkristalliner Struktur hergeleitet.

 

Inline-Erfassungsmethoden für präzise Auskunft zu Kühlraten

Untersucht wurden neben Temperatur und Kühlraten auch Scherraten, wofür geeignete Inline-Erfassungsmethoden entwickelt wurden, sowie die Kristallisationskinetik der verwendeten Polymere. Zudem wurden Simulationsalgorithmen zur Beschreibung relevanter Aspekte der additiven Fertigung entwickelt, die auf bestimmte Fragestellungen in der Anwendung zugeschnitten sind und mit Messergebnissen aus Experimenten an gefertigten Kunststoffbauteilen abgeglichen werden.

Die Projektergebnisse unterstreichen: Die Erfassung, Beherrschung und Steuerung von Kristallisationsprozessen während der additiven Fertigung sowie geeignete Simulationsalgorithmen zur Beschreibung der resultierenden Bauteileigenschaften sind entscheidend, um teilkristalline Polymere für die additive Fertigung von hochwertigen Kunststoffbauteilen nutzen zu können. Sie ermöglichen auch zielgerichtete Empfehlungen zur Modifizierung von Fertigungstechnologien.

(27. Januar 2026)