Kohlenstofffaser-/Epoxid-Schale aus dem Drucker

Die Projektarbeit wird vom DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) koordiniert und zielt darauf ab, die additive Materialextrusion mit Fokus auf Faserverstärkung in der industriellen Fertigung zu intensivieren.

Bauteileigenschaften gezielt optimieren

Die Zielsetzung im Rahmen des jüngsten Projekts in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern, beschreibt das Aufdrucken auf einer mehrfach gekrümmten Kohlenstofffaser/Epoxid-Schale mit Hochleistungsthermoplasten. Entlang der gesamten Prozesskette – von der Erstellung der Schale über die multiaxiale Bahnplanung für das Aufdrucken bis hin zum Druck der Rippe – hat das Empower-AX-Konsortium die Erwartungen aller übertroffen. Die Fertigung eines solchen Bauteils demonstriert die Fähigkeit, duroplastische und thermoplastische Matrizes sowie kurz- und endlosfaserverstärkte Materialien zu kombinieren, um die mechanischen Bauteileigenschaften, beispielsweise die Steifigkeit, gezielt zu optimieren.

Dank der angewandten Topologieoptimierungstechniken konnte das Bauteil in einem Design konstruiert werden, das sowohl die Festigkeit als auch das Gewicht optimiert. Durch die Nutzung der 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes konnte eine erste Analyse des Teils durchgeführt werden, um dessen Leistung und die strukturelle Integrität zu bewerten.

Präzise Einmessung im robotischen 3D-Drucker

Die CF/PEI-Rippen wurden durch das Team von Weber additive und mit dem DXR-System aufgebracht und bieten durch das kraftflussoptimierte Design eine hohe Festigkeit und Stabilität. Die Herausforderung hierbei war, die Rippenstruktur der Schale bei möglichst schnellem Aufdruck weiterer, im besten Fall zusammenhängender Bahnen beizubehalten. Während die SWMS, Ingenieurgesellschaft aus Oldenburg, die Gesamtbahn des Bauteils plante, war die Aufgabe von Weber additive die präzise Einmessung und Ausrichtung im großvolumigen, robotischen 3D-Drucker. Die präzise Ausrichtung ist wichtig, um sicherzustellen, dass die CFK-Grundstruktur und die CF-Polymer-Verrippung einen optimalen Formschluss eingehen. Das Zusammenspiel der optimierten Bahnplanung und des ideal ausgerichteten Extrusionsprozesses ermöglichten es, die spezifischen Anforderungen des Funktionsbauteils vollständig zu erfüllen.

Seit 2019 ist die Sparte Weber additive ein fester Bestandteil der Hans Weber Maschinenfabrik in Kronach. Im Bau von Kunststoffextrudern kann der Maschinenhersteller bereits auf mehr als 60 Jahre Erfahrung zurückblicken – im Bereich Holz- und Metallschleifmaschinen schon auf 100 Jahre. Dieses Know-how bietet beste Voraussetzungen für die Entwicklung und die Produktion additiver Fertigungssysteme.

Direktextrusionsverfahren für großvolumige Bauteile

Die additive Fertigung prägt die Zukunft der produzierenden Industrie wie kaum eine andere Technologie. Auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten lassen sich im Direktextrusionsverfahren für granulatbasierte Kunststoffe selbst komplexe und großvolumige Bauteile mit geringem Materialeinsatz auch in kleinen Losgrößen schnell und kostengünstig herstellen. Die Hans Weber Maschinenfabrik aus Kronach ist deutschlandweit der einzige Hersteller, der eigens entwickelte robotische Fertigungsanlagen, Portalsysteme sowie Hybridanlagen anbietet.

Viele Anforderungen umsetzbar

Egal ob Prototypen, Werkzeug- und Formenbau, Hilfs- und Betriebsmittel, Kunstwerke, Theaterkulissen, Messebau oder sogar Möbel und Architektur: Im großvolumigen 3D-Druck-Verfahren lässt sich nahezu jede Anforderung verwirklichen. Dabei ist ein individueller Einsatz mit Genauigkeit bis in den Millimeterbereich realisierbar – auch mit der Verwendung von Naturfasern oder recycelten Kunststoffen.