Prozessnahes Qualitätsmanagement beim Lasersintern von Polyamid 12
Die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik zum prozessnahen Qualitätsmanagement dient der Kompensation von materialinduzierten Streuungen von Prozess- und Bauteileigenschaften als Grundlage zur qualitätsgesicherten Fertigung beim Lasersintern mit Polyamid 12. Streuungen, die in der Konsequenz merkliche Schwankungen der Bauteileigenschaften bewirken, werden in diesem Zusammenhang durch die starke Wechselwirkung zwischen Material und Prozess verursacht. Beim Lasersintern kommt es mit Bezug darauf insbesondere aufgrund der Prozessbedingungen zu Materialeigenschaftsveränderungen. Thermorheologische Untersuchungen an Polyamid 12 Kunststoffpulvern, die systematisch unter prozessnahen Bedingungen gealtert wurden, wiesen einen signifikanten Zusammenhang zwischen Eigenschaftsveränderungen und einem kombinierten Zeit- und Temperatureinfluss nach. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein Modell entwickelt, das die prozessbedingten Eigenschaftsveränderungen beschreibt. Das Modell wurde weiterhin unter Nutzung von Prozesswissen als Bestandteil einer modellbasierten Qualitätsregelung verwendet und die Wirkungsweise experimentell überprüft. Hierzu wurde auf einen Zusammenhang zwischen Prozesseigenschaften und Modellvorhersage zurückgegriffen und auf dieser Basis wurden Verarbeitungsgrenzen sowohl für den Prozess als auch für das verwendete Material definiert. Der Vergleich von Bauteileigenschaften für einen vorausberechneten Prozesszustand innerhalb und außerhalb dieser Verarbeitungsgrenzen wurde abschließend zur Bewertung der modellbasierten Qualitätsregelung herangezogen. Ein eindeutiger Nachweis mit Bezug auf die Wirksamkeit der entwickelten Methodik konnte allerdings nicht zwingend erbracht werden. Im Wesentlichen wurde dieses Resultat auf Unterschiede zwischen Modellvoraussage und Experiment zurückgeführt, die mit der Inhomogenität der Aufschmelzcharakteristik sowie des Sinterprozesses einer Pulverschüttung aus Neu- und Altpulver im Zusammenhang stehen und damit das Eigenschaftsprofil sowie die Streuungen generativ gefertigter Bauteile mitbestimmen.
A process related quality management method for the compensation of Polyamide 12 (PA 12) induced process and part properties deviations is presented as a basic concept for a quality assured series laser sintering production. In this context, deviations are caused by a strong interaction between the material and the process leading to an undesired deviation of part properties. With regard to laser sintering, material property changes occur due to processing conditions. Thermorheological investigations of systematically under process related condition aged PA 12 powders revealed a significant dependence of property changes to a combined time and temperature effect. With respect to these findings, a model was derived that is able to describe these property changes. Moreover, the model was used under utilization of processing knowledge within a model based predictive quality control and verified experimentally based on a relationship between process properties and model prediction. In addition, this relationship was used to define a processing window for process and material properties. The validation of the model based predictive quality control was done by a comparison of part properties whereas parts were produced based on a predicted parameter setup that represented a processing state inside and outside of the defined processing window. However, a clear confirmation for the effectiveness of the model based quality assurance in this study could not be concluded. Mainly, this result was reduced to differences between model prediction and experiment, i.e. differences that are related to the inhomogeneity of the melting characteristic and the sintering process which hence control the properties profile of additively manufactured parts as well as its deviations.
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