Abstract
Bei der Formgebung von teilkristallinen Thermoplasten aus der Schmelze bilden sich beim Erstarren des Polymers, in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und den Abkühlbedingungen, kristalline Bereiche aus. Diese Bereiche verändern die mechanischen und technischen Eigenschaften eines Bauteils wesentlich. Die Vorhersage des aus einem Fertigungsprozess resultierenden Kristallisationsgrades (Anteil der kristallinen Bereiche) kann daher helfen, die erzielten Bauteileigenschaften zu prognostizieren.
Die Berechnung des Kristallisationsgrades wird hier am Beispiel des additiven Fertigungsverfahren Filament Fuse Fabrication (FFF) gezeigt. Der Kristallisationsgrad beeinflusst in der additiven Fertigung mit ihren komplexen Abkühlbedingungen neben den Materialeigenschaften auch die Bauteileigenschaften, wie zum Beispiel das Bonding (Inter Layer Strength). Ziel war es ein bekanntes Kristallisationsmodell am Beispiel von PEEK für teilkristalline Thermoplaste in Abaqus zu implementieren, um den Kristallisationsgrad von teilkristallinen Thermoplasten auf Basis der vorliegenden Temperaturbedingungen im FFF Prozess, vorhersagen zu können.
Da die Kristallisation von vielen Prozess- und Materialparametern abhängt, ist die Prognose der Kristallisationskinetik recht komplex. Der gewählte Ansatz erfolgt anhand einer Formel, die eine Weiterentwicklung des Avrami-Ansatzes darstellt. Diese enthält neben den Temperatur-Zeit Daten auch Parameter, welche durch das Fitten von DSC-Kurven (Differential Scanning Calorimetry) bestimmt werden. Es werden DSC-Messungen mit verschiedenen Abkühlraten betrachtet und mit einem einzelnen Parametersatz gefittet. Durch die Verwendung der verschiedenen DSC-Daten können die Abkühlraten abhängigen Kristallisationsgrade berechnet werden. Es wurde ein Python Skript zum Fitten der Parameter von teilkristallinen Thermoplasten entwickelt und verschiedene Ansätze erprobt. Die fertige Formel wird in einer Fortran Subroutine verwendet, die die Temperaturdaten einer Abaqus Simulation zu Berechnung des Kristallisationsgrades nutzt. Das Skript wird an einem vereinfachten 2D Modell eines FFF Prozesses angewendet. Es werden einzelne Stränge betrachtet, die nacheinander aktiviert werden, um den Ablageprozess zu modellieren. Für jeden Aktivierungsschritt werden individuelle thermische Randbedingungen eingestellt, um die Abkühlung möglichst genau zu abzubilden.
