Bessere Bauteile

Meinolf Droege,

Teilkristalline Polymere im 3D-Druck

Beim 3D-Druck anspruchsvoller Teile aus teilkristallinen Polymeren gibt es noch etliche Einschränkungen. Ein Forschungskonsortium aus mehreren Instituten möchte additiv gefertigten Kunststoffbauteilen den Weg in neue Anwendungsfelder bahnen. Das Gemeinschaftsprojekt wird mit Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Teilkristalline Kunststoffe bieten interessante Eigenschaften. Sie sollen sich auch im 3D-Druck besser verarbeiten lassen. © Fraunhofer IMWS

Polymere bestehen aus langen Molekülketten, die normalerweise ungeordnet vorliegen. Bei einigen thermoplastischen Kunststoffen kann es beim Erstarren der weichen Kunststoffschmelze aber zu einer partiellen Ordnung der Molekülketten kommen. Diese Kristallisation hängt von den Abkühlbedingungen, Zusatz- und Füllstoffen im Polymer sowie den Strömungsbedingungen während des Erstarrens ab. Das Ergebnis des Kristallisationsprozesses beeinflusst signifikant die mechanischen Eigenschaften des Polymers. Die bei der Verarbeitung benutzten Parameter sind daher der Schlüssel zu besseren Kunststoffbauteilen aus dem 3D-Druck.

Viele der in der Industrie am häufigsten genutzten Kunststoffe Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) können im teilkristallinen Zustand vorliegen. Im aktuellen Trend zu additiven Fertigungsverfahren spielen solche teilkristallinen Polymere allerdings bisher fast noch keine Rolle. Das Spektrum der benutzbaren Kunststoffe ist eingeschränkt und die Eigenschaften der Bauteile sind oft verbesserungswürdig.

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Viele additive Fertigungsverfahren arbeiten mit filamentbasierten Methoden. Nutzt man dabei teilkristalline Polymere als Ausgangsmaterial, treten häufig technische Probleme mit Verzug und inhomogenen mechanischen Eigenschaften auf, die zum Bauteilversagen führen können. Dies verhindert den Einsatz additiv gefertigter Kunststoffbauteile in vielen Anwendungen.

Die Projektpartner Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU) wollen diese Lücke schließen und neue Wege zur additiven Fertigung hochwertiger Bauteile aus teilkristallinen Polymeren eröffnen. Für dieses Ziel werden die Kompetenzen der Region gebündelt: An der MLU bestehen Kenntnisse im Bereich teilkristalliner Polymere, das Fraunhofer IMWS steuert die anwendungsbezogenen Erfahrungen im Bereich additiver Fertigung bei, ebenfalls an Bord ist die Fakultät für Maschinenbau der OvGU, die ihre Simulationskompetenz zu mechanischen Eigenschaften von Bauteilen in das Projekt einbringt.

Die Arbeiten sind zudem eng angebunden an den seit 2011 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich „Polymere unter Zwangsbedingungen“ sowie dem Interdisziplinärem Zentrum für transferorientierte Forschung in den Naturwissenschaften (IWE TFN) und der darin integrierten, internationalen Graduiertenschule zu Funktionellen Polymeren an der MLU, das Kunststoff-Kompetenzzentrum Halle-Merseburg, das DFG-geförderte Graduiertenkolleg Micro-Macro-Interactions of structured Media and Particle Systems an der OVGU sowie das Leistungs- und Transferzentrum Chemie- und Biosystemtechnik, das auch die Anknüpfung an kleinere und mittlere Unternehmen in Sachsen-Anhalt sicherstellen wird.

Diese geballte Forschungskompetenz sei notwendig, um die wissenschaftlichen Herausforderungen zu meistern. Es gebe viele offene Fragen, die von der Material- und Parameterauswahl über die Anpassung von additiven Technologien bis hin zur Bauteilprüfung reichen. Damit verbunden ist aber auch das große Potenzial: Innovative Lösungen können hier zu Alleinstellungsmerkmalen und nachhaltigen Wettbewerbsvorteilen führen.

Der Ansatz der Projektpartner zielt auf das Erfassen, Beherrschen und Steuern von Kristallisationsprozessen während der additiven Fertigung sowie die Erforschung geeigneter Simulationsalgorithmen zur Beschreibung der resultierenden Bauteileigenschaften. Untersucht werden dazu die Parameter beim additiven Fertigungsprozess wie Temperatur, Kühlraten und Scherraten, wofür geeignete Inline-Erfassungsmethoden entwickelt werden, sowie die Kristallisationskinetik der verwendeten Polymere. Zudem werden Simulationsalgorithmen zur Beschreibung relevanter Aspekte der additiven Fertigung entwickelt, die auf bestimmte Fragestellungen in der Anwendung zugeschnitten sind und mit Messergebnissen aus Experimenten an gefertigten Kunststoffbauteilen abgeglichen werden.

Ergebnis der bis März 2022 laufenden Arbeiten sollen Kenntnisse sein, die durch eine Inline-Erfassung und Anpassung der 3D-Druckparameter, Modifizierung der Fertigungstechnologien und simulative Prozessbegleitung die additive Fertigung von deutlich hochwertigeren Kunststoffbauteilen aus teilkristallinen Polymeren ermöglichen, die mechanisch hochbelastbar sind und eine hohe Geometrietreue aufweisen. Damit ließen sich mit Kunststoffbauteilen aus teilkristallinen Polymeren mittels 3D-Druck zahlreiche zusätzliche Anwendungsbereiche erschließen.

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