Masterarbeit

Additive Fertigungstechnologien rücken durch die erweiterte Designfreiheit und Individualisierbarkeit der zu fertigenden Produkte zunehmend in den Fokus von Unternehmen. Mithilfe von 3D-Druckern können an die individuellen Wünsche der Kunden angepasste Produkte ortsunabhängig hergestellt werden. Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten, wie beispielsweise ein effizientes, platzsparendes Tankdesign, das an bestehende Leitungen und vorhandene Konturen individuell angepasst werden kann, und selbst mithilfe von handelsüblichen Desktop-3D-Druckern im Schmelzschichtverfahren im privaten Umfeld oder Homeoffice herstellbar ist.

Bisherige Forschungen widmeten sich bereits der kritischen Frage der Adhäsion zwischen den einzelnen gedruckten Schichten und der Stabilität von 3D-gedruckten Bauteilen, wobei ein russisches Forschungsteam auch schon diverse Drucktests mit einfachen Geometrien durchführte. Darauf aufbauend wird nun geklärt, ob mithilfe dieses Verfahrens flüssigkeitsdichte Tanksysteme hergestellt werden können, auf was dabei zu achten ist und welche Einflussfaktoren eine besonders große Rolle spielen.

Da bei der additiven Fertigung durch das divergente Fertigungsprinzip andere Prozessparameter und Geometrien für den Erfolg entscheidend sind, wird nach der Erörterung des Fertigungsverfahrens und der Betrachtung des aktuellen Forschungsstandes zuerst eine ausführliche Literaturrecherche betrieben und dabei die dafür am wichtigsten erscheinenden Faktoren näher betrachtet. Bei den Prozessparametern stellen neben der Drucktemperatur, der Anzahl der Wandlinien und deren Füllung die auf die Extrusionsmenge eingreifenden Faktoren ganz wesentliche Eckpunkte dar. Insbesondere die Schichtdicke und Linienbreite sind bei Betrachtung der Bauteilgeometrien bedeutende Stellgrößen für optische und funktionale Artefakte, wie beispielsweise der Treppenstufeneffekt und der Detailgrad filigraner Stellen.

Um daraufhin eine Aussage über die Dichtigkeit solcher Tanksysteme geben zu können, wird anschließend eine experimentelle Untersuchung mithilfe der statistischen Versuchsplanung durchgeführt. Neben Dichtigkeit und Druckbeständigkeit werden die Einflüsse der Linienbreite, die Anzahl der Wandlinien und die Beschichtung des Bauteils mit Epoxidharz geprüft. Der vollfaktorielle 2³-Versuchsplan wird dabei dreifach durch drei unterschiedliche 3D-Drucker realisiert.

Alle 24 Versuchsobjekte waren nach dem Befüllen mit Wasser vollkommen dicht. Die maximale Druckbeständigkeit lag bei einem Wasserdruck von etwas über einem bar. Als häufigste Schwachstelle wurde die untere Kante des Bauteils im Übergang zwischen Wand- und Bodenlinie unterhalb der größten geraden Flächen identifiziert. Den größten positiven Einfluss auf die Druckbeständigkeit stellt, gefolgt von der Erhöhung der Linienstärke, eine Verdopplung der Wandlinien dar. Ein direkter Zusammenhang zwischen resultierender Wandungsstärke und Druckbeständigkeit gilt insgesamt als sehr wahrscheinlich. Die Machbarkeit von Tanksystemen auf diesem Weg wird ebenso wie die entscheidenden Einflussgrößen auf das System gezeigt.

Additive manufacturing technologies are increasingly becoming the focus of entrepreneurs due to the expanded design freedom and customization of the products to be manufactured. With the help of 3D printers, products tailored to the individual wishes of customers can be manufactured regardless of location. This opens entirely new possibilities, such as an efficient, space-saving tank design that can be individually adapted to existing pipes and existing contours and can even be produced in a private environment using standard desktop 3D printers in a fused-layer process.

Previous research has already addressed the critical question of adhesion between the individual printed layers and the stability of 3D printed components, with a Russian research team also already conducting various printing tests with simple geometries. Based on this, it will now be clarified whether liquid-tight tank systems can be produced using this process, what needs to be considered and which influencing factors play a particularly important role.

Since other process parameters and geometries are decisive for success in additive manufacturing due to the divergent manufacturing principle, after discussing the manufacturing process and the consideration of the current state of research, a detailed literature research is first conducted, and the factors that appear to be most important are examined in more detail. In addition to the printing temperature, the number of wall lines and their filling, the factors influencing the extrusion quantity are very important cornerstones of the process parameters. In particular, the layer thickness and line width are significant control variables for optical and functional artefacts when considering component geometries, such as the stair-step effect and the level of detail of filigree areas.

In order to thereupon be able to make a statement about the leak tightness of such tank systems, an experimental investigation is then carried out using statistical test planning. In addition to tightness and pressure resistance, the influences of the line width, the number of wall lines and the coating of the component with epoxy resin are tested. The full factorial 2³ experimental design is thereby realized threefold by three different 3D printers.

All 24 test objects were completely leakproof after being filled with water. The maximum pressure resistance was at a water pressure of just over one bar. The lower edge of the component in the transition between wall and floor line below the largest straight surfaces was identified as the most frequent weak point. After a doubling of the wall lines, the greatest positive influence on the pressure resistance is increasing the line thickness. Overall, a direct correlation between resulting wall thickness and pressure resistance is considered very probable. The feasibility of tank systems in this way is shown, as are the decisive factors that influence the system.