Charakterisierung der Strömungen in der Extrusionseinheit von FFF-Druckern mittels X-ray Particle Tracking Velocimetry

Die additive Fertigung ist eine junge Fertigungstechnologie, die durch nahezu unbegrenzte Designmöglichkeiten überzeugt. Besonders in der Produktentwicklung, Prototypenfertigung und Kleinserien finden additive Fertigungsverfahren ein breites Anwendungsspektrum. Eines der verbreitesten Verfahren ist die Fused Filament Fabrication (FFF). Angesichts steigender Anforderungen an schnelle, effiziente und kostengünstige Prozesse sind Modellierungs- und Simulationsanalysen unerlässlich. Zentral ist dabei das Aufschmelz- und Strömungsverhalten des Kunststofffilaments im Druckkopf. Gelingt es, diesen Vorgang durch mathematische Modelle in Simulationsanalysen zu übertragen, könnte der Prozess bis an seine Grenzen optimiert werden. Um nun Einblicke in den laufenden Druckprozess zu gewinnen, ohne diesen zu beeinflussen, kommen Methoden der zerstörungsfreien Prüfung und der Strömungsmechanik zum Einsatz. Die Particle Tracking Velocimetry (PTV) ist ein optisches Verfahren zur Messung dreidimensionaler Partikelbewegungen in Strömungen. Diese Messmethodik setzt jedoch transparente Medien und eine uneingeschränkte optische Zugänglichkeit für die Lichtquelle sowie die Kamerasysteme voraus. In der Röntgendurchstrahlungsprüfung stellt die optische Transparenz hingegen keine Einschränkung dar, da sie detaillierte Einblicke in das Innere von Bauteilen, wie FFF-Druckdüsen, ermöglicht. Herausforderungen ergeben sich jedoch, wenn Röntgenstrahlen den Kunststoff durchdringen, da dieser im Vergleich zu Metallen nahezu transparent erscheint. Dies erschwert die Visualisierung dynamischer Strömungsvorgänge im geschlossenen Schmelzekanal erheblich. Diese Arbeit stellt eine neuartige Methode zur Strömungsanalyse in undurchsichtigen Medien mittels X-Ray Particle Tracking Velocimetry (XPTV) vor. Am Beispiel des Strömungsverhaltens in einer FFF-Druckdüse wurden hoch abschwächende Wolframpartikel in das Filament eingebettet und in-situ untersucht. Erstmals konnte die Strömung einer Kunststoffschmelze mithilfe von XPTV sichtbar gemacht und analyisiert werden. Die vorgestellte Methodik erfasste dabei erfolgreich die ausgebildeten parabolischen Geschwindigkeitsprofile.