Laufzeit: 01.06.2021 bis 30.05.2024
Die additive Fertigung erweitert, bedingt durch das Funktionsprinzip des schichtweisen Materialauftrags, die konstruktiven Freiheiten der etablierten, konventionellen werkzeugbasierten oder abtragenden Fertigungsverfahren. Ein großes Potenzial stellt die Kombination unterschiedlicher Materialien zur Realisierung diskreter Materialübergänge dar, ohne dass zusätzliche Fügeprozesse erforderlich sind. Hierdurch eröffnen sich Möglichkeiten zur Integration materialspezifischer Eigenschaften wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit zur Wärmeerzeugung. Durch den lokalen Einsatz partikelgefüllter leitfähiger Kompositmaterialien lassen sich unter Nutzung des Joule-Effekts wärmeerzeugende Strukturen direkt am Wirkort integrieren. Zwei zentrale Herausforderungen limitieren den Einsatz derzeit. Zum einen sind die Eigenschaften der verfügbaren Funktionsmaterialien v.a. in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit limitiert. Zum anderen existieren kaum Methoden zur Unterstützung des Produktentwicklers im Hinblick auf eine systematische Bauteilkonzeption, -auslegung und -gestaltung von additiv gefertigten wärmeerzeugenden Strukturen, speziell unter Berücksichtigung der dispersen und materialspezifischen Eigenschaften der Füllstoffe.
Für die Integration der wärmeerzeugenden Funktionsstrukturen stellen die Anwendungsbereiche u.a. eine konturnahe Erwärmung von Bauteilbereichen zur Steigerung des Klimakomforts (z.B. im Bereich der Elektromobilität) sowie eine lokale Aktivierung von Formgedächtnispolymeren zur Realisierung von Aktoren (4D-Druck) dar.
Für die Untersuchungen wird die Kombination von Polyamid 6 (PA6) und Graphen aufgrund der Wärmeformbeständigkeit und den Verarbeitungseigenschaften bzw. der hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgewählt. Hierzu werden wechselseitige Abhängigkeiten von Material-, Prozess- und Geometrieparametern anhand von experimentellen Untersuchungen analysiert. Dies stellt die Basis für die Aufklärung der Zusammenhänge zwischen den Prozess- und Formulierungseigenschaften, den resultierenden Strukturen und den anwendungstechnischen Eigenschaften dar. Über diese Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehung können anschließend Modelle, Prinzipien und Regeln für die Gestaltung von additiv gefertigten wärmeerzeugenden Strukturen abgeleitet werden. Durch eine Verknüpfung der Modelle auf Mikro-, Meso- und Makroebene soll die Komplexität der Zusammenhänge für den Produktentwickler beherrschbar gemacht werden. Durch eine Rückführung auf die zugrundeliegenden physikalischen Wirkprinzipien können mit den entwickelten Modellen auch weitere Materialsysteme und Füllstoffe beschrieben werden.
Die Aufklärung und Modellierung der Wirkmechanismen auf den verschiedenen Ebenen soll im Rahmen dieses Projektes beispielhaft anhand eines konstruktionsmethodischen Ansatzes zur wissensbasierten Konstruktion für die Integration wärmeerzeugender Strukturen mittels Materialextrusion erarbeitet werden. Der Ansatz zielt darauf ab, die Zusammenhänge zwischen der Materialentwicklung, der Bauteilgestaltung und der Prozessparameterwahl zu identifizieren und hieraus Gestaltungsempfehlungen abzuleiten, um die Komplexität innerhalb der Produktentwicklung beherrschbar und die konstruktiven Potenziale nutzbar zu machen. Das Vorhaben soll basierend auf der Verknüpfung von Material-, Geometrie- und Prozesseigenschaften eine Grundlage für die Bauteilkonzeption und -auslegung schaffen.
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Das Projekt läuft in Kooperation mit Prof. Dr.-Ing. Carsten Schilde vom Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig.