SB_21138NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Nutzung der Gestaltungsfreiheiten
additiver
Fertigungsverfahren zur
Erhöhung der Festigkeit
von Klebverbindungen aus
schwer klebbaren
Kunststoffen

Nutzung der
Gestaltungsfreiheiten additiver
Fertigungsverfahren zur
Erhöhung der Festigkeit von
Klebverbindungen aus schwer
klebbaren Kunststoffen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.138 N
DVS-Nr.: 08.3188
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Technische Universität Braunschweig
Institut für Konstruktionstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.138 N / DVS-Nr.: 08.3188 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 563
Bestell-Nr.: 170673
ISBN: 978-3-96870-563-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ............................................................................................................. 1
2. Stand der Forschung und Technik ....................................................................... 3
2.1. Additive Materialextrusion .............................................................................. 3
2.1.1. Materialien .............................................................................................. 4
2.1.2. Verfahrensspezifische Gestaltungsfreiheiten .......................................... 5
2.1.3. Verfahrensspezifische Gestaltungsrestriktionen ..................................... 6
2.2. Gitterstrukturen .............................................................................................. 7
2.2.1. Mechanisches Verhalten von Gitterstrukturen ........................................ 8
2.3. Additiv gefertigte formschlüssige Verankerungsstrukturen ............................ 9
3. Problemstellung und Zielsetzung ....................................................................... 11
3.1. Methodischer Ansatz zur Erreichung des Forschungsziels .......................... 11
4. AP 1.1: Material und Klebstoffauswahl (IFS, IK) ................................................ 14
4.1. Vorversuche - Prüfung bei Belastung auf Scherung .................................... 15
5. AP 1.2: Filamentherstellung und Bestimmung von Prozessparametern für MEX
(IK) ..................................................................................................................... 19
5.1. Filamentherstellung ...................................................................................... 19
Aufbau ................................................................................................................ 19
5.1.1. Vorbereitung ......................................................................................... 21
5.1.2. Bestimmung von Herstellungsparameter .............................................. 22
5.1.3. Analyse von Filamenten ........................................................................ 24
6. AP 2: Charakterisierung der mechanisch-technologischen Gittereigenschaften
(IFS, IK) .............................................................................................................. 39
6.1. Scherung ..................................................................................................... 42
6.2. Zug ............................................................................................................... 43
6.3. Schälung ...................................................................................................... 44
VII

7. AP 3: Ermittlung von Referenzwerten zur Bewertung der Maßnahmen (IFS, IK) 46
7.1. Computertomografische Untersuchungen ................................................... 50
8. AP 4: Automatisierte Generierung der Fügezonengeometrie (IK) ...................... 54
8.1. Einteilung in Voxel ....................................................................................... 55
8.2. Füllen ........................................................................................................... 56
8.3. Aufdicken ..................................................................................................... 57
8.4. Zuschneiden ................................................................................................ 57
8.5. Dichtegradienten .......................................................................................... 58
8.5.1. Durchmesser-Gradienten ...................................................................... 58
8.6. Gradienten der Zellgröße ............................................................................. 59
8.7. Gradient durch Versetzungen ...................................................................... 59
8.8. Gradient durch Strebenaddition ................................................................... 59
9. AP 5: Vergleich von Interlocking-Features, Multi-Material-Druck und
Vorbehandlung (IFS, IK) ..................................................................................... 61
10. AP 6: Bestimmung der Alterungsbeständigkeit (IFS) ......................................... 70
10.1. Einfluss der künstlichen Alterung auf PP und PA6 ....................................... 73
11. AP 7: Übertragung der Versuchsergebnisse auf reale Anwendungsfälle (IFS, IK)
........................................................................................................................... 74
11.1. Entwurf des Bauteils .................................................................................... 75
11.2. Slicing und Additive Fertigung...................................................................... 78
11.3. Fügen und mechanische Charakterisierung ................................................ 79
12. AP 8: Ableitung von Empfehlungen zur Fügezonengestaltung (IK)................... 81
12.1. Gitter Topologie ........................................................................................... 89
12.2. Dimensionierung .......................................................................................... 91
12.2.1. Gitterdimensionierung ........................................................................ 92
12.2.2. Dimensionierung im Hinblick auf Fertigungsrestriktionen .................. 94
12.3. Prozess Parameter ...................................................................................... 95
12.3.1. Generelle Fertigungsparameter ......................................................... 96
VIII

12.3.2. Multi-Material-Fertigung ..................................................................... 97
12.4. Kleben .......................................................................................................... 98
13. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen des Projektes ......................................................................................... 101
14. Erläuterung der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .... 107
15. Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse unter
besonderer Berücksichtigung kleiner und mittelständischer Unternehmen ...... 108
15.1. Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse 108
15.2. Innovativer Beitrag der Ergebnisse und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ........................................................................ 109
16. Verwendung der Zuwendungen ....................................................................... 110
16.1. Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des
Finanzierungsplans) ................................................................................... 110
16.2. Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) ...................................... 110
16.3. Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans) ..................... 110
17. Fortgeschriebener Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ....................... 111
17.1. Durchgeführte Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit .............. 111
17.2. Geplante Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit ............................ 113
18. Literaturverzeichnis .......................................................................................... 115
IX

Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21138 N
1. Einleitung
Die additive Fertigung (AM) von Bauteilen, umgangssprachlich als 3D-Druck bekannt,
durchläuft derzeit eine rasante Entwicklung von einer Prototypen-Technologie hin zu
einem Einsatz in der Serienfertigung mit hoher Variantenvielfalt und
Geometriekomplexität, insbesondere im Bereich des Leichtbaus. Die Freiheit in der
Konstruktion, die durch den schichtweisen Materialauftrag entsteht, ermöglicht es,
bekannte Restriktionen aus konventionellen Herstellungsprozessen wie
Hinterschneidungen und Einschlüsse zu umgehen und eröffnet damit neue
Herausforderungen und Möglichkeiten bei der Gestaltung der Fügestellen. Durch diese
Freiheit ist es nun erstmals möglich, ein eigenständiges Fügestellendesign
durchzuführen, ohne dass die Stückzahlkosten bei steigender Geometriekomplexität
unwirtschaftlich werden.
Bisher haben sich mehrere additive Fertigungsverfahren als industriell relevant für die
Herstellung von Endprodukten durchgesetzt. Dazu gehören unter anderem die
pulverbettbasierten Verfahren Selektives Lasersintern (SLS) und Selektives Laser-
Strahlschmelzen (SLM), welche pulverförmiges Ausgangsmaterial aus Kunststoffen bzw.
metallischen Werkstoffen mittels Laser schichtweise an- bzw. aufschmelzen. Ein weiteres
Verfahren ist die Materialextrusion (MEX), die thermoplastische Kunststoffe als
Ausgangsmaterial verwendet und diese schichtweise im Druckverfahren zum Bauteil
aufschmilzt und verarbeitet. [Geb13, Gib15]
Bereits jetzt finden additive Verfahren zur Herstellung von Serienbauteilen Anwendung.
[Woh18] Aufgrund der schnellen Entwicklung des 3D-Drucks ist zu erwarten, dass dieses
Verfahren bald flächendeckend in kleineren bis mittleren Serienprozessen eingesetzt
wird, bei denen die Druckerzeugnisse mit anderen Materialien zu einem Produkt
verschmolzen werden. Bisher gibt es nur begrenzte Untersuchungen zu geeigneten
Fügetechniken für die additive Fertigung. Viele herkömmliche Fügeverfahren kommen
aufgrund der notwendigen Materialkombination nicht in Frage. Das Kleben hingegen
bietet aber aufgrund der variablen Gestaltungsmöglichkeiten der Fügezonen sowie der
Kombination unterschiedlicher Materialien eine hervorragende Fügetechnik für additiv
gefertigte Bauteile.

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21138 N
Das Forschungsprojekt GeneSys [Gen16] konnte anhand von grundlegenden
Untersuchungen das Potential von gezielt angepassten Fügeflächenkonturen
und -strukturen im Hinblick auf eine klebgerechte Auslegung von additiv gefertigten
Bauteilen aufzeigen. Allerdings fand keine detaillierte Untersuchung von Maßnahmen zur
Verbesserung der Klebeignung von schwer klebbaren Kunststoffen wie Polypropylen
(PP) statt, welche die erweiterten Gestaltungsmöglichkeiten der additiven Fertigung im
Hinblick auf die Fügezone erlaubt. Im Fokus dieses Forschungsprojekts steht demnach
die systematische Identifikation der Gestaltungsfreiheiten im Hinblick auf die
Fügezonengestaltung mittels Oberflächenstrukturen und Multi-Material-Druck sowie die
Ermittlung der Einflussfaktoren unterschiedlicher Maßnahmen auf die Klebfestigkeit.
Zudem sollte die Konstruktion durch entsprechende Automatisierung in Bezug auf die
Modellierung und die Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen unterstützt werden.
Das erarbeitete Wissen wurde überdies für die Nutzung durch zukünftige
Produktentwickler*innen in Form von Gestaltungsempfehlungen aufbereitet, die das
bereits erschienene DVS Merkblatt 1401 [DVS 1401] ergänzen werden.

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21138 N
2. Stand der Forschung und Technik
Im Folgenden wird zunächst auf die additive Fertigung eingegangen, bevor die
allgemeine Verwendung von Gitterstrukturen erläutert und der Stand der Forschung und
Technik hinsichtlich der Klebeignung additiv gefertigter Systeme näher beleuchtet wird.
2.1. Additive Materialextrusion
Die Materialextrusion (MEX), auch Fused Layer Modeling (FLM) oder Fused Deposition
Modelling (FDM), ist eines der am weitesten verbreiteten additiven Fertigungsverfahren
und gilt als günstigste Möglichkeit, dreidimensionale Bauteile additiv zu fertigen. Der
schematische Aufbau einer Fused Layer Modeling Anlage ist in Abbildung 1 dargestellt.
Sowohl das Bau- als auch das Stützmaterial (thermoplastische Polymere) werden mit
Hilfe von Vorschubrollen zum Extrusionskopf oder per Bowden-Vorschub transportiert,
aufgeschmolzen und über die jeweilige Extrusionsdüse geometrisch definiert in der x-y-
Ebene aufgetragen. Unmittelbar nach dem Auftragen, welches entsprechend der
Schichtkontur erfolgt, verfestigt sich das Material. Der Verbund zwischen den einzelnen
Extrusionsraupen untereinander entsteht dabei während eines Erkaltungsprozesses.
Nach einer Schichtgenerierung wird die Bauplattform um eine Schichtstärke in z-Richtung
abgesenkt und die nächste Schicht aufgetragen. [VDI 3405, DIN 117296-2]
Material A
Extruder 1 Extruder 2
Material B
Pore
Material B
Housing
Part A
x
y
z
Build plate
z
Build
platform
Part B
x
y
Adsorption
Material transition
Mechanical
interlocking
Polarity
Material A
Diffusion
z
y
x
Coupling mechanisms
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Verfahrensprinzips der Materialextrusion [Wat18]
Beim MEX-Verfahren werden oft zwei Arten von Filamenten eingesetzt – ein Bau- und
ein Stützmaterial. Das Baumaterial besteht dabei in der Regel aus einem

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21138 N
thermoplastischen Kunststoff. Theoretisch ist die Materialpalette zwar grenzenlos, jedoch
macht der vergleichsweise hohe Schmelzpunkt von Metallen und Keramiken einen
Einsatz für die MEX-Verfahren sehr aufwändig. Zum Einsatz kommen, aufgrund ihrer
Druckqualität und ihres umfangreichen Einsatzgebietes, hauptsächlich die Kunststoffe
ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PETG (Polyethylenterephthalat mit Glykol modifiziert)
und PLA (Polylactid), aber auch PC (Polycarbonat), PS (Polystyrol), PMMA
(Polymethylmethacrylat) und PEI (Polyetherimide). Für die Generierung von
Stützstrukturen hat sich der Einsatz von wasserlöslichen Materialien wie PVA
(Polyvinylacetat) oder spröderen Materialen als das verwendete Baumaterial bewährt.
Ob Bauteilflächen eine Stützstruktur benötigen, hängt wie von ihrer Neigung zur
Horizontalen ab. Diese lassen sich im Nachbehandlungsschritt jedoch einfacher als beim
SLM entweder durch einen speziellen Waschvorgang oder mechanisch bzw. per Hand
entfernen.
Neben der Verwendung von einem Bau- und einem Stützmaterial ist auch das
Verdrucken von zwei Baumaterialien möglich, sodass sich im Bauteil gradierte
Bauteileigenschaften einstellen lassen. Der Bauteilverbund zwischen den beiden
Materialien entsteht während des Bau- und Abkühlprozesses.
2.1.1. Materialien
Die in der MEX verwendeten Materialien sind auf schmelzbare Werkstoffe beschränkt,
so dass nur thermoplastische Polymere in Frage kommen. Durch die Möglichkeit,
amorphe und teilkristalline Thermoplaste sowie thermoplastische Elastomere zu
verarbeiten, ergibt sich jedoch eine große Vielfalt an materialspezifischen Eigenschaften,
die von Produktentwicklern genutzt werden können. Neben Standardmaterialien (z.B.
PLA oder ABS) können in MEX auch technische (z.B. PC oder PA) und sogar
Hochleistungspolymere (z.B. PEI oder PEEK) eingesetzt werden. Die Zusammensetzung
dieser Polymere ähnelt weitgehend den Materialien, die in herkömmlichen Verfahren wie
dem Spritzgießen verwendet werden. Im Allgemeinen sind teilkristalline und/oder
hochschmelzende Materialien aufgrund der höheren Schrumpfung während der
Herstellung schwieriger zu verarbeiten und erfordern eine aufwändigere
Herstellungsmaschine, d. h. eine beheizte Druckkammer im Gegensatz zu einem
beheizten Druckbett oder überhaupt keine Wärmebehandlung. Neben reinen
thermoplastischen Polymeren werden häufig gefüllte Filamente (u. a. Kohlenstoff- [Hei19,