On the Targeted Exploitation of Material Potentials in 3D Printing using Fused Filament Fabrication (FFF)

Fused Filament Fabrication (FFF), an extrusion-based additive manufacturing technique, is becoming increasingly popular for polymer processing in academia and industry since it provides several benefits. As an inherent nature of additive structures, the quality of the inter-filament bonding in 3D printed components poses the main challenge in the application to mechanically critical components. Still, the precise placement of the material allows for generating load-path-specific orientations within a volume. In this work, to improve inter-filament bonding, the effects of the processing conditions on the mechanical properties of macroscopically defect-free 3D printed polypropylene (PP) were comprehensively investigated based on an analysis of supermolecular morphology formation in combination with local thermal simulations. Additionally, to exploit the anisotropic properties of the FFF process, specifically the unique fiber orientation, a composite based on PP and poly(ethylene terephthalate) (PET) microfibrils was prepared, and the morphology and the effects of the PET-fiber reinforcement on the mechanical performance were studied. The importance of the fiber orientation on the tribological properties was highlighted by the characterization of two printed fiber-reinforced polyetheretherketone (PEEK)-based compounds sliding against a steel ring. By understanding in-depth the effect of the processing conditions and the anisotropic properties of fiber-reinforced composites, practical insights were gained regarding how the material potential can be exploited via the FFF process.Fused Filament Fabrication (FFF), eine auf Extrusion basierende additive Fertigungstechnik (AM), gewinnt aufgrund zahlreicher Vorteile zunehmend an Bedeutung in Wissenschaft und Industrie. Die Qualität der Bindung zwischen den abgelegten Strängen in 3D-gedruckten Komponenten stellt dabei die größte Herausforderung für die Anwendung auf mechanisch kritische Komponenten dar. Dennoch ermöglicht die präzise Platzierung des Materials die Erzeugung lastpfadspezifischer Orientierungen innerhalb eines Volumens. Zur Verbesserung der Bindung zwischen den Strängen wurden in dieser Arbeit die Auswirkungen der Verarbeitungsbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften von makroskopisch defektfreiem 3D-gedrucktem Polypropylen (PP) basierend auf einer Analyse der supermolekularen Morphologie in Kombination mit lokalen thermischen Simulationen umfassend untersucht. Um darüber hinaus die anisotropen Eigenschaften additiv gefertigter Strukturen, insbesondere die einzigartige Faserorientierung, auszunutzen, wurde ein Verbundwerkstoff auf Basis von PP- und Poly(ethylene terephthalate) (PET) Mikrofibrillen hergestellt und die Morphologie und die Auswirkungen der PET-Faserverstärkung auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Bedeutung der Faserorientierung für die tribologischen Eigenschaften wurde schließlich durch die Charakterisierung von zwei gedruckten faserverstärkten Polyetheretherketone (PEEK)-basierten Compounds beim Gleiten gegen einen Stahlring herausgestellt. Das so gewonnene tiefgreifende Verständnis für den Einfluss der Verarbeitungsbedingungen und die anisotropen Eigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen ermöglicht es, das Materialpotenzial durch das FFF-Verfahren auszuschöpfen