TY - THES

T1 - Anwendung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen für die additive Fertigung

AU - Krainer, Matthias

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des FFG-Projekts „3D Printtechnologien - Neue additive Produktionstechnologien für die Holzindustrie“ (Kurztitel „3D - Wood“, FFG Projektnr. 850754) entstanden. In diesem Projekt wurden Alternativen zur herkömmlichen Holzverarbeitung für die Holzindustrie erforscht. Ein möglicher Ansatz stellt die Verwendung von additiven Fertigungsmethoden in Kombination mit Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen dar. Die Formgebung in der Holzindustrie erfolgt üblicherweise spanabhebend, indem von Rohteilen subtraktiv Material entfernt wird. Im Gegensatz dazu wird bei der additiven Fertigung Material schichtweise bei der Bauteilerstellung hinzugefügt. Dadurch ergeben sich eine sehr effiziente Nutzung der eingesetzten Materialien und ein großes Maß an Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Designs. Zusätzlich kann der Herstellungsprozess von Teilen, welcher normal mehrere Schritte benötigt, in einem vereinfachten Schritt automatisiert durchgeführt werden. Als Teil des Projektes wurden für diese Masterarbeit Prüfkörper mit Hilfe der Werkstoffextrusion hergestellt. Diese wurden direkt auf Holzsubstratoberflächen gedruckt, welche anschließend durch einen Abhebeversuch getestet wurden. Ziel war es, durch Kombination von verschiedenen Filamenten und unterschiedlich vorbehandelten bzw. nicht vorbehandelten Substratoberflächen, Abhebefestigkeitswerte größer als in der Norm EN 312 für Inneneinrichtungsgegenstände im Trockenbereich festgelegt sind zu erzielen. Dabei zeigte sich, dass die sich ausbildenden Adhäsionskräfte auf nicht vorbehandelten Substratoberflächen zu gering sind, um eine zuverlässige Anwendung in der Industrie zu gewährleisten. Durch den Einsatz von Haftvermittlern konnten zum Teil deutlich höhere als in der Norm EN 312 geforderte Werte erzielt werden und es konnte somit ein Potential für Industrieanwendungen nachgewiesen werden. Weiters wurden die eingesetzten Materialien umfangreich thermisch und rheologisch untersucht. Dies diente einerseits dazu, um optimale Verarbeitungsbedingungen zu finden und andererseits um Strömungssimulationen durchführen zu können. Anhand der Simulationen wurde beurteilt, ob der 3D - Druck aus strömungstechnischer Sicht prinzipiell möglich ist und sich die Filamente auf der verwendeten Maschine verarbeiten lassen. Hierfür wurden der Füllgrad der Filamente, der Volumenstrom und der Düsendurchmesser variiert und es konnte gezeigt werden, dass ein breites Anwendungsfeld abgedeckt werden kann. Um den Modellaufbau, die Vernetzung, die getroffenen Vereinfachungen, die mathematischen Beschreibungen der Stoffdatenmodelle etc. qualitativ beurteilen zu können wurden umfangreiche Untersuchungen mit Hilfe eines Hochdruckkapillarrheometers durchgeführt. Dies erwies sich für die anschließend durchgeführten Simulationen des eigentlich zu untersuchenden Extruders als äußerst zielführend.

AB - Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des FFG-Projekts „3D Printtechnologien - Neue additive Produktionstechnologien für die Holzindustrie“ (Kurztitel „3D - Wood“, FFG Projektnr. 850754) entstanden. In diesem Projekt wurden Alternativen zur herkömmlichen Holzverarbeitung für die Holzindustrie erforscht. Ein möglicher Ansatz stellt die Verwendung von additiven Fertigungsmethoden in Kombination mit Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen dar. Die Formgebung in der Holzindustrie erfolgt üblicherweise spanabhebend, indem von Rohteilen subtraktiv Material entfernt wird. Im Gegensatz dazu wird bei der additiven Fertigung Material schichtweise bei der Bauteilerstellung hinzugefügt. Dadurch ergeben sich eine sehr effiziente Nutzung der eingesetzten Materialien und ein großes Maß an Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Designs. Zusätzlich kann der Herstellungsprozess von Teilen, welcher normal mehrere Schritte benötigt, in einem vereinfachten Schritt automatisiert durchgeführt werden. Als Teil des Projektes wurden für diese Masterarbeit Prüfkörper mit Hilfe der Werkstoffextrusion hergestellt. Diese wurden direkt auf Holzsubstratoberflächen gedruckt, welche anschließend durch einen Abhebeversuch getestet wurden. Ziel war es, durch Kombination von verschiedenen Filamenten und unterschiedlich vorbehandelten bzw. nicht vorbehandelten Substratoberflächen, Abhebefestigkeitswerte größer als in der Norm EN 312 für Inneneinrichtungsgegenstände im Trockenbereich festgelegt sind zu erzielen. Dabei zeigte sich, dass die sich ausbildenden Adhäsionskräfte auf nicht vorbehandelten Substratoberflächen zu gering sind, um eine zuverlässige Anwendung in der Industrie zu gewährleisten. Durch den Einsatz von Haftvermittlern konnten zum Teil deutlich höhere als in der Norm EN 312 geforderte Werte erzielt werden und es konnte somit ein Potential für Industrieanwendungen nachgewiesen werden. Weiters wurden die eingesetzten Materialien umfangreich thermisch und rheologisch untersucht. Dies diente einerseits dazu, um optimale Verarbeitungsbedingungen zu finden und andererseits um Strömungssimulationen durchführen zu können. Anhand der Simulationen wurde beurteilt, ob der 3D - Druck aus strömungstechnischer Sicht prinzipiell möglich ist und sich die Filamente auf der verwendeten Maschine verarbeiten lassen. Hierfür wurden der Füllgrad der Filamente, der Volumenstrom und der Düsendurchmesser variiert und es konnte gezeigt werden, dass ein breites Anwendungsfeld abgedeckt werden kann. Um den Modellaufbau, die Vernetzung, die getroffenen Vereinfachungen, die mathematischen Beschreibungen der Stoffdatenmodelle etc. qualitativ beurteilen zu können wurden umfangreiche Untersuchungen mit Hilfe eines Hochdruckkapillarrheometers durchgeführt. Dies erwies sich für die anschließend durchgeführten Simulationen des eigentlich zu untersuchenden Extruders als äußerst zielführend.

KW - Additive manufacturing

KW - material-extrusion

KW - wood-plastic composites

KW - lift-off test

KW - flow simulation

KW - Additive Fertigung

KW - Werkstoffextrusion

KW - Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe

KW - Abhebefestigkeit

KW - Strömungssimulation

M3 - Masterarbeit

ER -