Additiv gefertigete Kunststoffteile bestehen Langzeittest

Mit Additiver Fertigung lassen sich inzwischen auch sehr gut Funktionsteile herstellen. Doch sind die auch dauerhaft belastbar? Das SKZ hat es untersucht.

Additive Fertigungsverfahren, insbesondere das Lasersinteren und das Strangablegeverfahren (FDM oder FFF), etablieren sich zunehmend bei der industriellen Produktion von Kunststoffbauteilen. Voraussetzung für einen Einsatz als vollwertiges Fertigungsverfahren ist allerdings die Kenntnis des kurz- und langzeitigen Verhaltens der Bauteile.

Denn zur sicheren Bauteildimensionierung ist die Kenntnis der mechanischen Langzeiteigenschaften unabdingbar – bislang jedoch kaum bekannt. Das SKZ hat deshalb im Rahmen eines kürzlich erfolgreich abgeschlossenen, AiF-geförderten Forschungsvorhabens dieses Grundlagenwissen für das Lasersinterverfahren an PA 12 und für das Strangablegeverfahren an ABS systematisch erarbeitet.

Dazu wurde das mechanische Langzeitverhalten unter statischer und dynamisch-zyklischer Zugbeanspruchung in Relation zum Kurzzeitzugverhalten untersucht. Die Prüfungen wurden an additiv sowie konventionell mit Spritzguss oder Pressen aus identischen Werkstoffen gefertigten Teilen bei einer Temperatur von 23 °C durchgeführt.

Das Ergebnis: Die zur Auslegung von Bauteilen benötigten Festigkeitswerte und das Bruchverhalten unterscheiden sich für die betrachteten Fertigungsverfahren und sind bei additiver Fertigung baurichtungsbedingt anisotrop. Diese im Kurzzeitzugverhalten festgestellten Unterschiede spiegeln sich auch im statischen sowie dynamisch-zyklischen Langzeitzugverhalten wider.

Durch eine Normierung des Langzeitverhaltens auf die jeweilige Kurzzeitzugfestigkeit konnten die Wissenschaftler des SKZ zeigen, dass die zeitliche Abnahme der Maximalfestigkeiten bei langzeitiger mechanischer Beanspruchung vom Material und nicht vom gewählten Fertigungsverfahren dominiert wird. Damit erscheint eine Festigkeitsauslegung analog zu konventionell gefertigten Teilen möglich.

Soll ein additiv gefertigtes Teil in Baurichtung beansprucht werden, so ist nach Erfahrung des SKZ aber im Hinblick auf die Langzeitzugeigenschaften ein zusätzlicher Abminderungsfaktor zu berücksichtigen. Die Ergebnisse konnten im Rahmen einer Benchmark-Untersuchung für additiv gefertigte Teile aus der Industrie bestätigt werden.

Damit wurde zum einen eine systematische Vorgehensweise zur Ermittlung der auslegungsrelevanten mechanischen Kenngrößen (insbesondere Kurz- und Langzeitzugfestigkeit) entwickelt sowie zum anderen derzeit industriell erreichbare Referenzwerte quantifiziert. Unternehmen können diese Erkenntnisse des SKZ zur Auslegung, Charakterisierung und Bewertung eigener additiv gefertigter Kunststoffbauteile nutzen.

gk