Das selektive Lasersintern von Kunststoffen zählt im Bereich additiver Fertigungsverfahren zu den Technologien, welche die Hürde weg vom reinen Prototypenbau hin zur Fertigung von Funktionsbauteilen dauerhaft überwinden können. Um dies zu bewerkstelligen, sind konstante Pulvereigenschaften sowie ein Pulverqualitätsmanagement unabdingbar. Beim selektiven Lasersintern von Polyamid 12 kommt es aufgrund der hohen Temperaturen, nahe der Schmelztemperatur und der langen Verarbeitungszeiten zu Alterungseffekten des, die Bauteile umgebenden, nicht aufgeschmolzenen Pulvers. Aufgrund geringer Pulvernutzungsraten, von unter 30 Gew.-%, erfolgt die Wiederverwendung dieses Pulvers aus ökonomischen und ökologischen Gründen. Zur Erhöhung der Zieleigenschaften Bauteildichte und -mechanik wird dieses sogenannte Gebrauchtpulver meist mit einem definierten Anteil an Neupulver vermengt. Hieraus entstehen oftmals Pulvermischungen, deren Zusammensetzung, begründet durch unterschiedliche Temperaturhistorien, variiert. Die Einstellung definierter Bauteileigenschaften erfordert hingegen die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Pulvercharakteristika und resultierenden Bauteilkennwerten. Diese Arbeit widmet sich der Ableitung des Zusammenhangs zwischen dem prozessabhängigen Alterungsverhalten von Polyamid 12 und den daraus folgenden Bauteilkennwerten im Lasersinter-Prozess. Die prozessspezifische thermo-mechanische Belastung während des Pulverauftrages induziert eine Reduktion des Fließverhaltens des Pulvers, wohingegen das mittlere Molekulargewicht durch eine Nachkondensation in der Festphase, aufgrund der Lagerung bei Temperaturen nahe des Schmelzpunktes, zunimmt. Die mit der Bauzeit veränderten Pulverkennwerte wirken sich auf die Bauteildichte, die Oberflächenrauheit sowie die mechanischen Kennwerte aus, wobei das Temperatur-niveau in Kombination mit der Dauer der thermischen Belastung, unabhängig ob zyklisch oder kontinuierlich aufgebracht, von primärer Bedeutung ist. Auf Basis der Untersuchungen konnte für Polyamid 12 eine Pulverlebensdauer zur Erzielung von Bauteileigenschaften in definierten Toleranzfeldern abgeleitet werden. Die Forschungsergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Qualitätssicherung von Pulvereigenschaften sowie zur Erhöhung der Pulverlebensdauer im Lasersintern.

Rotationsformen ist ein Kunststoffverarbeitungsverfahren, mit dem nahtlose Hohlkörper mit komplexen Geometrien in einem breiten Größenspektrum hergestellt werden können. Im Gegensatz zu den meisten anderen Kunststoffverarbeitungsverfahren erfolgen das Aufschmelzen, die Formgebung sowie das Abkühlen innerhalb eines Werkzeugs in einem variothermen Prozess. Die Bauteilgeometrie ist hier lediglich an der Bauteilaußenseite formgebunden, wodurch der Aufbau mehrschichtiger Systeme mit variablem Schichtaufbau und Schichtdicken durch die sequentielle Zugabe von pulverförmigen Werkstoffen in den Prozess möglich ist. Durch die Zugaben von Pulvermischungen können gezielt Werkstoffmischungen generiert werden. Diese Potentiale ermöglichen den Aufbau mehrschichtiger Systeme, bei denen eine mehrphasige Zwischenschicht zur Verbesserung der Verbundfestigkeit eingebracht wird. Die Haftungsoptimierung, insbesondere bei haftungsinkompatiblen Werkstoffen beruht hierbei auf mechanischer Adhäsion, der formschlüssigen Verbindung verschiedener Werkstoffe innerhalb der Zwischenschicht. Untersuchungen zur Herstellung solcher mehrschichtigen Aufbauten durch Rotationsformen und zu den resultierenden Verbundfestigkeiten fanden bisher nur in Ansätzen statt. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die relevanten Einflussfaktoren auf die Herstellung und die resultierenden Gebrauchseigenschaften der beschriebenen mehrschichtigen Systeme aufgezeigt werden. Hierzu werden ausgewählte prozesstechnische als auch werkstoffliche Parameter in Verarbeitungsversuchen variiert und die resultierenden Bauteile eingehend charakterisiert. Das Versagensverhalten der Bauteile konnte zudem evaluiert und analytisch beschrieben werden. Ziel der Arbeit ist es, die grundlegenden Wirkzusammenhänge zwischen Werkstoffkennwerten, Prozessparametern, Bauteilgestalt und resultierenden Gebrauchseigenschaften aufzuzeigen. Die mögliche Kombination verschiedenster Werkstoffe bietet das Potential, die Anwendungsfelder für das Rotationsformen deutlich zu erweitern.

Kontinuierlich verstärkte Faserverbundkunststoffe (FVK) in Form ebener Halbzeuge weisen aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen Eigenschaften, der Möglichkeit zur lastpfadgerechten Auslegung und der Funktionsintegration ein hohes Leichtbaupotential auf. Thermoplastisch basierte Werkstoffsysteme (sog. Organobleche) erlauben wegen der physikalisch basierten Verarbeitung zusätzlich kurze Taktzeiten und tragen dank der Recyclierbarkeit zur Nachhaltigkeit bei. Durch die Integration optischer und/oder ästhetischer Materialeigenschaften können neue Anwendungsfelder für mittlere bis hohe Stückzahlen erschlossen werden, jedoch sind kommerzielle Produkte wegen der textilen Topographie auf der Oberfläche nur bedingt geeignet. Die Abzeichnung der textilen Topographie (engl.: fiber print through phenomena – FPTP) tritt bei Organoblechen immer auf und bezeichnet die regelmäßige Abbildung der Verstärkungsarchitektur auf der Oberfläche. Dieser Effekt wird durch das ungleichmäßige Schwindungsverhalten der Verbundpartner im Gesamtsystem verursacht. Durch die lokal unterschiedlich vorherrschenden Volumenanteile wird das ursächliche Problem zusätzlich noch verstärkt. Als Folge der thermisch bedingten, hohen Matrixschwindung entstehen bei der Verarbeitung Einfallstellen, welche eine anmutende Oberflächengüte im Sichtbereich verhindern. Durch Modifikation der thermoplastischen Matrix mit Füllstoffen kann das temperaturabhängige Verhalten der polymerreichen Matrixzone außerhalb der textilen Verstärkung an das Verhalten der imprägnierten Faserbündel angepasst werden. Bei geeigneter Wahl von Faser- und Partikelgröße kann ein Filtereffekt des Textils genutzt und damit das Verhalten der Matrixzone lokal angeglichen werden. Wird die Menge des Polymer-Füllstoff-Gemischs optimal abgestimmt, können im entstehenden Drei-Phasen-Verbund die Schwindungseigenschaften homogenisiert und das viskose Verhalten des Compounds reduziert werden. Im Ergebnis verbessert sich die Güte der Verbundoberfläche und das Kriechverhalten unter wechselnden Temperaturbedingungen nimmt ab.

Das selektive Laserstrahlschmelzen von Kunststoffen ermöglicht durch das inkrementelle Zusammenfügen einzelner im Pulver belichteter Linien und Schichten die werkzeuglose Fertigung von komplexen dreidimensionalen Strukturen. Beginnend bei der Fertigung von Prototypen hat sich der additive Fertigungsprozess zu einem industriellen Fertigungsverfahren für individualisierte Bauteile entwickelt. Für den technischen und serienmäßigen Einsatz von LS Bauteilen ist ein hoher Grad an Maß- und Formhaltigkeit sowie Reproduzierbarkeit erforderlich. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit die grundlegende linien- und schichtweise Dimensionsentstehung beim selektiven Laserstrahlschmelzen von Polyamid 12 an speziellen Probekörpern belichtungskonform auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene untersucht. Hierzu werden vorab wichtige Einflussfaktoren auf die resultierenden Bauteildimensionen analysiert und nachfolgend konstant gehalten. Der aufgestellten Theorie folgend ergibt sich durch den inkrementellen Energieeintrag eine von der Linien- und Schichtzahl abhängige Dimensionsentstehung. Insbesondere für kleine Strukturen konnten die Einzelanteile, welche zur Maßabweichung beitragen, identifiziert werden und einzelne sich gegenseitig kompensierende Effekte auf die resultierenden Bauteilmaße herausgearbeitet werden. Zudem wird eine Möglichkeit zur Quantifizierung der prozesstypischen Formabweichung vorgestellt und der sich an der Bauteiloberseite ergebende Meniskus in Abhängigkeit der aufbauenden Inkremente ausgewertet und eine Theorie zur Entstehung vorgestellt.

Die Anwendung von magnetischen Sensorsystemen, die aus einem federzeugenden Signalgeber sowie einem magnetisch sensitiven Sensor bestehen, für eine Bestimmung von Linear- und Rotationsbewegungen als auch zur Positionsbestimmung nehmen rasant zu. Zum Einsatz kommen hierfür aufgrund prozesssinhärenter Vorteile häufig kunststoffgebundene Dauermagnete, bei denen es sich um einen Verbundwerkstoff aus einer Kunststoffmatrix und hartmagnetischen Füllstoffpartikeln handelt. So ermöglicht der Spritzgießprozess die Herstellung von vielfältigen Polstrukturen und komplexen Geometrien in Kombination mit der Möglichkeit weitere Bauteile, wie z.B Wellen und Buchsen, direkt zu integrieren. Durch die Füllstofforientierung und Magnetisierung während des Umformprozesses kann auf den nachfolgenden Magnetisierungsschritt verzichtet werden. Die resultierenden Eigenschaften der kunstoffgebundenen Dauermagnete werden maßgeblich durch den Spritzgießprozess und die sich prozessbedingt einstellende Füllstofforientierung innerhalb des Bauteils beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die relevanten Einflussfaktoren auf die Qualitätskriterien polorientiert spritzgegossener Dauermagnete mit einem Fokus auf die maximalen Flussdichtewerte, sowie die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Polteilung, aufgezeigt werden. Am Beispiel poloriert spritzgegossener Ringmagnete werden ausgewählte Werkstoffliche, prozesstechnische und geometrische Parameter variiert und die Bauteile final hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert. Zur Identifikation der lokalen Füllstofforientierung wird eine speziell angepasste Auswerteroutine entwickelt und für die Korrelation mit der Flussdichte und den Magnetisierungsstrukturen verwendet. Für die Ausbildung der Polbreite erfolgt eine Zusammenführung der Erkenntnisse in einem Prozessmodell.

Laserstrukturierungsverfahren wie die Laserdirektstrukturierung (LDS) nach dem Verfahrensprinzip der Firma LPKF Laser & Electronics AG ermöglichen die Aufbringung dreidimensionaler Leiterbahnstrukturen auf Kunststoffsubstrate und damit verbunden die Herstellung spritzgegossener Schaltungsträger (engl. Molded Interconnected Devices, MID). Dabei werden ein durch Compoundierung in den Kunststoff eingebrachter Metallkomplex mittels Laserstrahlung selektiv aktiviert und die dadurch entstandenen Keime in einem zweiten Schritt außenstromlos metallisiert. Bei Laserstrukturierung und Metallisierung ergeben sich vielfältige Einflüsse. Besonders Füllstoffe, die dem Kunststoff zur Angleichung von dessen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf das Niveau des aufgebrachten Metalls zugegeben werden, beeinflussen Metallisierung und Schichteigenschaften. Im Speziellen betrifft dies sowohl das Anspring- und Abscheideverhalten, das sich in Schichtdicke und Homogenität widerspiegelt als auch die Haftfestigkeit. Vielfach sind diese Einflüsse allerdings noch nicht vollständig verstanden. Im Zuge dieser Arbeit soll daher der Einfluss von Füllstoffen auf das Metallisierungsergebnis untersucht werden. Dazu werden einem aromatischen Polyamid unterschiedliche Füllstofftypen und -formen definierter Anteile zugegeben. Weiterhin werden der Anteil einer ausgewählten Talkumtype sowie der Anteil an LDS-Additiv systematisch variiert. Die so hergestellten Kunststoff-Compounds werden mittels Spritzgießen zu Probekörpern weiterverarbeitet, laserstrukturiert und metallisiert. Daran anschließend wird die Metallisierungsqualität anhand der Schichtdicke und -homogenität charakterisiert und bewertet. In Verbindung damit wird auch die Haftfestigkeit der metallisierten Schichten auf dem Kunststoffsubstrat untersucht. Die Untersuchungen beinhalten weiterhin eine morphologische Analyse der Proben im Hinblick auf die Verteilung und Orientierung der Füllstoffe. Zur Bewertung der industriellen Anwendbarkeit werden die mechanischen Eigenschaften der Substrate charakterisiert. Dadurch soll ein Beitrag zum verbesserten Prozessverständnis für eine wirtschaftliche Fertigung sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit im Betrieb derartiger Komponenten geleistet werden.