Ausrichtung ist Key, sowohl bei Fasern als auch beim Bauteil
Wie die Faserorientierung im SLS-Prozess die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen bestimmt
Additive Fertigungstechnologien wie das Selective Laser Sintering (SLS) eröffnen neue Möglichkeiten für die Herstellung komplexer Bauteile aus Kunststoffen. Doch während SLS bereits in der Serienproduktion von Prototypen und Kleinserien etabliert ist, bleibt die Auswahl an verfügbaren Materialien und die Kontrolle über ihre Eigenschaften eine Herausforderung. Ein zentrales Thema ist dabei die mechanische Anisotropie von faserverstärkten Polymeren – ein Effekt, der bisher oft unterschätzt wurde.
Warum die Faserorientierung entscheidend ist
In einer Studie (unten verlinkt) haben wir gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie untersucht, wie sich kurze Carbonfasern in Polyamid-12-Bauteilen, die mittels SLS-Verfahren hergestellt wurden, ausrichten und welche Auswirkungen dies auf die mechanischen Eigenschaften hat. Die Ergebnisse zeigen: Die Faserorientierung ist kein zufälliger Effekt, sondern ein systematischer Prozessparameter, der gezielt beeinflusst werden kann.
Im SLS-Prozess werden die Fasern durch die Bewegung des Pulververteilers (Roller) in der x-Richtung ausgerichtet. Dies führt dazu, dass sich etwa 50–60% der Fasern entlang der Rollenrichtung, 30–40% in Querrichtung und nur 5–15% senkrecht zu den Schichten ausrichten. Diese Ausrichtung hat direkte Auswirkungen auf die Festigkeit, Steifigkeit und Bruchdehnung der Bauteile.
Praktische Konsequenzen für die Bauteilauslegung
Die mechanischen Eigenschaften eines SLS-Bauteils hängen stark davon ab, wie die Fasern relativ zur Belastungsrichtung orientiert sind:
- Bauteile, deren Fasern parallel zur Belastungsrichtung ausgerichtet sind (z. B. entlang der x-Achse), zeigen eine deutlich erhöhte Festigkeit und Steifigkeit; Teilweise bis zu doppelt so hohe Werte im Vergleich zu unverstärkten Proben.
- Bauteile, deren Fasern quer zur Belastungsrichtung liegen, verlieren diesen Verstärkungseffekt teilweise oder vollständig.
- Vertikale Bauteile (z-Richtung), bei denen die Fasern kaum aus der Schichtebene herausragen, erreichen die geringsten mechanischen Kennwerte.
Diese Erkenntnisse sind besonders relevant für die industrielle Anwendung, da sie zeigen, dass durch eine optimierte Ausrichtung der Bauteile im Bauraum gezielt mechanische Eigenschaften verbessert werden können. So lassen sich etwa lasttragende Strukturen so positionieren, dass die Fasern optimal zur Hauptbelastungsrichtung ausgerichtet sind.
Fazit: Gezielte Positionierung der Bauteile als Schlüssel zum faserverstärkten Erfolg
Die Studie unterstreicht, dass die Faserorientierung im SLS-Prozess kein Störfaktor, sondern ein Steuerungsinstrument ist. Durch eine systematische Ausrichtung der Bauteile und eine Anpassung der Prozessparameter können Hersteller die mechanischen Eigenschaften ihrer SLS-Bauteile gezielt beeinflussen.
Für die Praxis bedeutet das: Wer SLS für hochbelastete Bauteile einsetzen möchte, sollte nicht nur Material und Geometrie, sondern auch die Faserorientierung als entscheidenden Faktor berücksichtigen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für leichtbauoptimierte, hochfeste Kunststoffbauteile in der Serienfertigung.
Fragen oder Anmerkungen? Wie gehen Sie mit der Anisotropie in Ihren SLS-Anwendungen um? Teilen Sie Ihre Erfahrungen in den Kommentaren oder kontaktieren Sie uns direkt.
Hier geht’s zur Paper für Interessierte: https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101671