Neues 3D-Druck-Verfahren

Rotatorischer Technologie für verschiedene Werkstoffe

Die additive Fertigung von Bauteilen aus thermoplastischen Filamenten (Fused Filament Fabrication, FFF) ist eine bewährtes Verfahren zur Produktion 2½-dimensionaler Bauteile in z-konstanter Fertigungsweise.

Als Ausgangsmaterial kann ein einkomponentiges reaktives Gemisch dienen © IKD

In einem Kooperationsprojekt des Instituts für Kunststofftechnik der Hochschule Darmstadt (IKD) mit dem Werkzeugbau Weidemann soll neben der klassischen 2½-dimensionalen Fertigung auf einer Druckplattform die rotatorische Fertigung realisiert werden.

Die Fertigungsbasis, beispielsweise ein Rohr, rotiert simultan zum Materialaustrag rotiert und so ein Strang aus reaktivem Gemisch ausgetragen und abgelegt wird. Diese Fertigungsweise biete die Möglichkeit, das Material kontinuierlich und simultan zum Materialaustrag durch eine zusätzliche Aktivierungsenergie zu vernetzen bzw. den Vernetzungsprozess gezielt zu kontrollieren. Es sei auch vorstellbar, den Vernetzungsprozess ohne zusätzliche Aktivierungsenergie rein chemisch ablaufen zu lassen.

Als Ausgangsmaterial kommt ein reaktives einkomponentiges oder ein mehrkomponentiges Gemisch in Frage. Bei der mehrkomponentigen Variante handelt es sich in der Regel um ein zweikompomponentiges Reaktivsystem, das zunächst im Prozess in einem statischen oder dynamischen Mischer vermischt werden kann. Das kooperative Forschungsprojekt hat zum Ziel, diese Technologie bis Mitte 2020 in ein vorserienfertiges Stadium zu überführen. In Zusammenarbeit mit Weidemann entsteht eine additive Fertigungsanlage der nächsten Generation.

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Neben der Realisierung des Bauprozesses spielt besonders die Materialauswahl eine entscheidende Rolle. In einem Materialscreening habe sich schnell gezeigt, dass Polyurethane, Silikone und Epoxidharzsysteme günstige Ausgangsmaterialien zur Generierung der Bauteile sind. Die Materialien sollten nach dem Abmischen möglichst thixotrope Eigenschaften aufweisen. Dadurch sind sie in der Lage, der Schwerkraft beim Rotieren des Fertigungsuntergrunds standzuhalten und nicht die Form zu verlieren, bevor die Vernetzung seitlich oder an der gegenüberliegenden Seite der Austragseinheit geschieht. Die abgelegten reaktiven Stränge haften im Idealfall formstabil an einer senkrechten Wand oder an einem Überhang von 180 Grad, also an der Unterseite des Rotationskörpers. Eine denkbare Variante ist auch der Einsatz eines festen oder pastösen Stützmaterials aus einer zusätzlichen Austragseinheit.

Mit dieser neuartigen Fertigungstechnologie ist es beispielsweise möglich, gezielt funktionelle Strukturen auf ein Halbzeug aufzubringen. Die Fertigung ist mit reaktivem Material oder thermoplastischen Filamenten realisierbar. In beiden Fällen besteht die Erwartung, Bauteilstränge frei im dreidimensionalen Raum verlegen zu können. Damit könnte beispielsweise das kontaktlose Ablegen von Strängen von einer Erhöhung des Bauteils zu einer anderen Erhöhung (Bridging) gewinnbringend eingesetzt werden. Diese Brücken könnten das Erzeugen nicht-rotationssymmetrischer Bauteile deutlich vereinfachen. Unterschiedliche Bereiche des Bauteils können mit verschiedenen vielen Schichten versehen werden. Damit lassen sich 3-dimensionale Strukturen erzeugen, die nicht von umlaufenden, sondern von lediglich partiell aufgetragenen Strängen, erzeugt werden und somit funktionell sein können. Auf diese Weise könnte beispielsweise Flansche, Dichtungen oder auch eine komplexe Struktur wie ein Schnapphaken erzeugt werden.

Mit geschickter Kombination von Materialien könnte es zudem möglich werden, anhand der gezielten Inline-Mischung unterschiedliche Härten, Farbverläufe oder Dichten im Bauteil einzustellen. Dies könnte durch das Material, das Füllmuster, die Füllstruktur oder Zusätze wie Füll- oder Verstärkungsstoffe wie Glas- oder Carbonfasern realisiert werden.

Die Arbeit wird aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke (AiF) gefördert.

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