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Verbundprojekt zu 3D-Druck und Tiefziehwerkzeugen

Leichter und kompakter konstruierenMehr Funktionen in die Form

Die Grafik zeigt, wie nah die Kanäle zum Vorheizen und Abkühlen an der Kontur des Werkstücks angelegt werden können. Dies ist nur mit dem schichtweisen Aufbau des Formeneinsatzes möglich. (Bilder: BKL)

Die additive Fertigung von Werkzeugen bietet gegenüber konventionellen, spanenden Verfahren einige Vorteile und zusätzliche Möglichkeiten – nicht nur bei der Kühltechnik. Zudem sind, je nach Werkzeugaufbau, geringere Bauzeit und kompakterer Aufbau möglich.

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Verbundprojekt zu 3D-Druck und Tiefziehwerkzeugen4,2 Millionen Euro-Förderung für effizientere Kleinserien-Fertigung

Die Produktion und Qualitätssicherung von Kleinserien ist mit Hilfe des 3D-Drucks und eines flexibel programmierbaren Tiefziehwerkzeugs schneller, einfacher und günstiger möglich. 

3D-Druck und Tiefziehen sollen als Verfahren für Prototypen und Kleinserien in der Grenzregion Niederlande-Deutschland weiterentwickelt werden. (Bild: NRWO)

Davon sind Unternehmer und Wissenschaftlicher überzeugt, die in den kommenden drei Jahren mit einem Projektbudget von fast 6,3 Millionen Euro innovative Prozesse, Maschinen und Materialien entwickeln. Das Verbundprojekt wird vom Netzwerk Oberfläche NRW (NRWO) mit Sitz in Münster koordiniert. Es sei gelungen, 4,2 Millionen Euro aus dem Interreg-Programm Deutschland-Nederland zur Kofinanzierung einzuwerben. 2 Millionen Euro Eigenmittel schießen die 15 Projektpartner aus der Grenzregion Niederlande und Nordrhein-Westfalen zu.

Kleinserien sind besonders unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine besondere Herausforderung, weiß NRWO-Geschäftsführer und Projektinitiator Martin Gründkemeyer. „Fixkosten, die zum Beispiel für die Entwicklung und Erstellung von Tiefziehformen oder als Rüstkosten anfallen, machen einen erheblichen Teil der Herstellkosten aus.“ Zugleich gebe es seit einigen Jahren einen starken Trend in Richtung flexible Produktionsverfahren, die eine große Herausforderung wie auch eine Chance bedeuteten. Vor diesem Hintergrund konzentriere sich die ‚Smart Production‘ auf die Optimierung von 3D-Drucktechniken für nicht druckbare Materialien und auf die Entwicklung eines flexibel programmierbaren Tiefziehwerkzeugs. Auf einem dritten Gebiet werden die Projektpartner an zerstörungsfreien Messsystemen für die Qualitätssicherung arbeiten.

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3D-Druck neuer Kunststoffe

Unter anderem soll das 3D-Drucken neuer Kunststoffe wie Gummi und Silikon sowie Kunststoffen mit speziellen Eigenschaften wie hoher Zugfestigkeit, Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie Sterilisierbarkeit möglich werden. Zudem sollen die maximale Größe, Geometrie, Toleranz und Stabilität der gedruckten Kunststoffteile deutlich verbessert sowie die Druckgeschwindigkeit signifikant erhöht werden. Eine konkrete Maßnahme dieses Teilprojekts Additive Fertigung besteht in der Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme eines 3D-Drucker-Prototypen, der das großformatige Drucken im Bereich von etwa 2 Quadratmetern ermöglichen werde. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Techniken zur Steuerung des 3D-Druckprozesses, um beispielsweise das Drucken semi-kristalliner Hochleistungs-Kunststoffe in ausreichender Qualität zu ermöglichen. Des Weiteren müssten neue Messtechniken zur Echtzeitüberwachung des Druckvorgangs und Werkzeuge zur standardisierten Charakterisierung des Ausgansmaterials und des Druckresultats entwickelt und getestet werden.

Tiefziehen ohne spezielle Form

Das Teilprojekt Fleximould erforscht ein neues thermoplastisches Umformverfahren, das die sehr zeit-, kosten- und ressourceneffiziente Herstellung von Einzelstücken und Kleinserien ermöglichen soll. Die Herstellung einer teilespezifischen Form sei nicht mehr erforderlich. Ausgehend vom 3D-CAD-Modell des Bauteils wird die gewünschte Form direkt mithilfe eines automatisierten Stellmechanismus erzeugt, der sich am Prinzip Pinart bzw. Nagelspiel orientiert. Im Gegensatz zu üblichen 3D-Drucktechniken seien durch das Thermo-Umformen mit der variabel einstellbaren Form großflächige Teile mit relativ dünner und einheitlicher Wanddicke schnell und kostengünstig herstellbar. Es soll ein formprogrammierbarer Tiefziehwerkzeug-Prototyp mit Abmessungen im Bereich von 1,5 bis 2 Quadratmetern entwickelt werden. Mit dem in einer Tiefziehanlage integrierten Werkzeug kann der Herstellungsprozess von Formteilen für ein breites Spektrum an Materialien und Anwendungen realisiert werden.

Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung

Im dritten Teilbereich Monitoring werden Analysemethoden zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung von Schutzlackierungen auf Kunststoffen und Faserverbundstoffen entwickelt. „Innerhalb des Projekts wird der ,Proof of Concept´ stattfinden und ein Demosystem für das Schichtdickenmesssystem erarbeitet. Zudem werden Monitoring-Technologien für die additive Fertigung und für das Teilprojekt Fleximould entwickelt“, blickt Gründkemeyer voraus. „Die Partner analysieren und konkretisieren Messmethoden auf Basis von Terahertzstrahlung, die auch auf nicht-metallischen Untergründen anwendbar sind und ein größeres Spektrum an Informationen bei der Untersuchung mehrlagiger Beschichtungen bieten.“. Zudem sollen sie einen echtzeitfähigen Algorithmus entwickeln und in einem robotergestützten, automatisierten System implementieren. Dafür kommt ein Leichtbauroboter zum Einsatz, der kollaboratives Arbeiten ohne störende Sicherheits­einhausung ermöglicht.

Grenzüberschreitende Kooperation

Dem grenzüberschreitenden Charakter des Projekts misst Gründkemeyer hohe Bedeutung für die erfolgreiche Durchführung bei. Im Bereich des 3D-Drucks, bei Dienstleistungen und dem damit verbundenen Know-how hätten die Niederlanden zirka zehn Jahre Vorsprung. „Der Markt ist für professionelle Geräte stärker vorbereitet als auf der anderen Seite der Grenze“, erklärt er. In Deutschland hingegen sei der Maschinenbau besonders stark. Beteiligt am Projekt sind die Unternehmen

–    Aeolus Coatings, NL-Terwispel

–    Bond High Performance 3D Technology, NL-Zwolle

–    Cato Composite Innovations, NL-Rheden

–    Demcon Advanced Mechatronics, NL-Enschede

–    DNL-Mobiel, D-Steinfurt

–    Grunewald, D-Bocholt

–    Hochschule Niederrhein, D-Krefeld

–    Hochschule Düsseldorf, D-Düsseldorf

–    ITA Industrie-Technik Ahlen, D-Beckum

–    Netzwerk Oberfläche NRW, D-Münster (Projektsteuerung)

–    Parthian Technology B. V., Hengelo

–    Saxion University of Applied Sciences, Enschede

–    Stichting Polymer Science Park, Zwolle

–    Systec Elektronik und Software, D-Münster

–    Urbanmaker, D-Münster

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