Untersuchung des Einflusses von Nanopartikeln auf die additive Fertigung

Durch die steigende Verfügbarkeit kommerzieller Drucksysteme, sowie durch unterschiedlichen Forschungsaktivitäten in den letzten Jahren, hat die additive Fertigung stark an Bedeutung gewonnen. Vorteile der additiven Fertigung sind die sehr hohen Freiheitsgrade bei der Bauteilgestaltung, sowie die sehr kurzfristige mögliche Fertigung von Ersatzteilen. Im Bezug auf eine effiziente Logistik bedeutet dies z.B. geringen Lagerhaltung und schnellen just-in-time Ersatzteilverfügbarkeit. Primär in Hinsicht auf die logistischen Herausforderungen bei bestehenden Waffensystemen können sich dadurch neue Chancen ergeben. Die bisher hauptsächlich zum Einsatz kommenden reinen Polymerwerkstoffe besitzen zumeist einen nur geringen Füllstoffgehalt in Form von Farbpigmenten. Durch das Einbringen von Nanopartikeln können Eigenschaften gezielt für spezifische Anwendungen verbessert werden. Zu den Eigenschaften zählen u.a. die elektrische sowie thermische Leitfähigkeit, Festigkeit und Steifigkeit, Rissfortschritt, Brandverhalten als auch Radarabsorptionseigenschaften.

Literaturrecherche

• Verfügbarkeit von Nanopartikeln und deren Eigenschaften
• Mögliche Einbringverfahren
• Einfluss von Nanopartikeln auf die Eigenschaften von Polymeren
• Nanopartikel in der additiven Fertigung
• Herstellmöglichkeiten von Filamenten, Dispersionen und Pulvern

Untersuchung möglicher Einbringverfahren von Nanopartikeln

• Untersuchung möglicher Einbringverfahren von Nanopartikeln in eine Polymermatrix
• Auswahl geeigneter Verfahren der additiven Fertigung

Untersuchung des Ausgangswerkstoffs

• Untersuchung des Ausgangswerkstoffs auf fertigungsrelevante Eigenschaften

Untersuchung der Verarbeitbarkeit mittels additiver Fertigung

• Das mit Nanopartikeln modifizierte Basismaterial soll auf Druckbarkeit untersucht werden

Werkstoffcharakterisierung

• Additiv gefertigte Probekörper sollen auf die zu erwartenden Eigenschaftsänderungen charakterisiert werden.

Ein pulverförmiger, teilkristalliner und allgemein chemikalienbeständiger Thermoplast, wurde aufgrund seiner allgemeinen Bewährtheit bei der Bundeswehr im SLS-Druck als Basispolymer für erste Vorversuche im FFF-Druck ausgewählt. Aus diesem, als feines Pulver vorliegenden Polymer, konnte mittels eines Filamentextruders ein Filament erzeugt werden, welches mittels eines FFF-Druckers verdruckt wurde. Der ausgewählte Werkstoff konnte als geeignetes Polymer zum Mischen mit Nanopartikeln identifiziert werden. Im Gegensatz zu dem in den Vorversuchen verwendeten Polymer, beinhaltet der zum Mischen mit Nanopartikeln ausgewählte Werkstoff keine zusätzlich beigemischten Nanopartikel wie Titandioxid, wodurch ungewollte Wechselwirkungen mit in Zukunft selbst eingebrachten Nanopartikeln vermieden werden können.

Neben den positiven Effekten, welche Nanopartikel auf die verschiedenen Materialeigenschaften haben, weisen Nanopartikel im allgemeinen allerdings auch gesundheitliche Risiken auf, die jedoch in vielen Fällen bisher nur unzureichend erforscht sind. Insbesondere wurden manche der aus technischer Sicht vielversprechenden Nanopartikel - wie z.B. Carbon Nanotubes (CNTs) - von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) in die Gruppe 2B („möglicherweise karzinogen“) eingestuft. Unter Betrachtung aktueller Studien zu gesundheitlichen Effekten von Nanopartikeln besteht daher noch Klärungsbedarf beim Thema Arbeitsschutz.

Das Forschungsvorhaben beruht auf der Studie „Untersuchung des Einflusses von Nanopartikeln auf die additive Fertigung“ vom WIWeB (Wehrwissenschaftliches Institut für Werk- und Betriebsstoffe).

Projektlaufzeit: November 2021 bis Oktober 2024