Flexible Materialien für die additive Fertigung: hyperelastische, viskoelastische Eigenschaften und der Einfluss unsicherer Materialparameter

Abstract

Additive Fertigung, umgangssprachlich als 3D-Druck bezeichnet, hat sich zu einer etablierten Produktionsmethode in vielen Anwendungsbereichen entwickelt. Gerade für die Produktion kleinerer Serien oder individueller Komponenten ist es die bevorzugte Technik. Sollen diese gedruckten Teile konventionell hergestellte Teile ersetzen, so müssen die mechanischen Eigenschaften mindestens vergleichbar sein. Wünschenswert wären sogar verbesserte Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den hyperelastischen und viskoelastischen Eigenschaften verschiedener flexibler Materialien, die in der additiven Fertigung eingesetzt werden. Ergänzt wird dies durch eine Untersuchung des Einflusses von Unsicherheiten im Material, z.B. hervorgerufen durch Einschlüsse. Generell werden zwei verschiedene Druckverfahren untersucht, zum einen die Schmelzschichtung (FDM), zum anderen das Verfahren der Stereolithografie (SLA). Während das FDM-Verfahren einen schmelzfähigen Kunststoff als Ausgangsmaterial verwendet, basiert das SLA-Verfahren auf dem Aushärten eines harzförmigen Photopolymers. Zur Untersuchung des hyperelastischen Materialverhaltens werden uniaxiale Zugversuche bis zum Versagen durchgeführt und ausgewertet. Bei den verwendeten Proben werden verschiedene Druckparameter variiert. Für die Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften dienen uniaxiale Spannungsrelaxationsversuche. Die Ermittlung der Parameter verschiedener hyper- und viskoelastischer Materialmodelle erfolgt mittels nichtlinearer Regression unter Nebenbedingungen. In FEM-Simulationen werden die gewonnenen Materialparameter validiert. Abschließend erfolgt eine Untersuchung des Einflusses von unsicheren Parametern auf verschiedene Materialeigenschaften. Dazu wird zum einen die Größenverteilung kugelförmiger Einschlüsse in geschlossenzelligen Materialien bestimmt, gefolgt von einer statistische Analyse der Verteilung der Kugelradien. Zum anderen wird der Einfluss unsicherer Materialparameter auf eine Ausgangsgröße am Beispiel eines Euler-Bernoulli-Balkens untersucht.

Additive manufacturing, commonly called 3D printing, has become an established method in many fields of production. It is a preferred method to produce small series or individual parts of components. If such printed parts shall replace traditionally produced parts, the mechanical properties have to be at least comparable. Even enhanced properties are desirable. This works addresses the hyperelastic and viscoelastic properties of different flexible materials in additive manufacturing. Additional an investigation of the influence of material uncertainties, e.g. by voids, is presented. In particular two different printing methods are examined: on the one hand fused deposition modeling (FDM) and on the other hand stereolithography (SLA). While FDM technique uses a meltable plastic as the basic material, the SLA method is based on the hardening of a photopolymeric resin material. To investigate the hyperelastic material properties, uniaxial tensile tests are performed until rupture. For the used specimens, different printing parameters are varied. Uniaxial stress relaxation tests serve to determine the viscoelastic properties. Parameters of different hyper- and viscoelastic material models are identified by a conditional nonlinear regression. The gained parameters are verified in a FEM-simulation. In conclusion the influence of uncertain parameters on different material properties is investigated. One the one hand the size distribution of spherical voids in closed-cell materials is determined, followed by a statistical analysis of the void radii distribution. On the other hand the influence of uncertain material parameters on an output parameter is studied on the example of an Euler-Bernoulli-beam.