3D-Druck mit Composites

Neues Kapitel im additiven Leichtbau: Mit dem 3D Fibre Printer des Fraunhofer IPA lassen sich nun auch Verbundwerkstoffe als Druckmaterial in der additiven Fertigung verwenden. Jetzt soll die Innovation dem Mittelstand zugänglich gemacht werden.

Additive Fertigung erobert zahlreiche Industrien. Die 3D-Drucktechik ermöglicht nicht nur kostengünstige Bauteile in kleiner Stückzahl, sondern auch komplexe und individuelle Geometrien. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK), die mit ihrem geringen Gewicht bei hoher Stabilität im Leichtbau gerne verwendet werden, lassen sich damit jedoch noch nicht verdrucken. Der 3D Fibre Printer des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA schafft die Voraussetzungen, Verbundwerkstoffe als Druckmaterial zu verwenden und ermöglicht damit den Einsatz hochfester Leichtbaumaterialien in der additiven Fertigung. Jetzt soll die Innovation im Netzwerk 3D Composite Print (3D-CP) dem Mittelstand zugänglich gemacht werden.

Um Faserverbundwerkstoffe, sogenannte Composites, herzustellen, werden Fasern in einem formgebenden Matrixmaterial eingebettet. Bei den gängigen Verfahren gibt es allerdings noch Schwachstellen. Einerseits können die Composites nicht mit den herkömmlichen Methoden der additiven Fertigung verarbeitet werden, andererseits ist bei der Stabilität der Bauteile noch Luft nach oben. In beiden Fällen schafft der 3D Fibre Printer des Fraunhofer IPA Abhilfe.

Allgemein gilt für eine möglichst hohe Stabilität im Werkstück, die Fasern bei der FVK-Herstellung in Richtung der Kraftflüsse zu verlegen. Herkömmliche Verfahren wie Harzinjektion oder Laminieren stoßen hier schnell an ihre Grenzen. "Da man meist auf die Faserausrichtung innerhalb eines textilen Halbzeugs beschränkt ist, muss man Abstriche bei der Festigkeit hinnehmen", kritisiert Jonas Fischer, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA. Der 3D Fibre Printer ist hingegen mit einer neuartigen Düse ausgestattet, die Endlosfasern direkt beim Drucken in den Kunststoffstrang integriert. "Da wir so erstmals Composites verdrucken können, eröffnen wir ein neues Kapitel im additiven Leichtbau", freut sich Fischer.

Für mehr Stabilität und Flexibilität haben die Experten die Düse an einen Roboterdruckkopf montiert. Im Gegensatz zu konventionellen 3D-Fertigungsverfahren, welche über ein 3-achsiges System an den schichtweisen Aufbau einer Struktur gebunden sind, kann der 6-achsige Roboter Strukturen frei im Raum aufbauen. Dieses "Free Space Fabrication (FSF)" wird am Fraunhofer IPA in Kombination mit dem 3D Fiber Printer weiterentwickelt. Die erweiterte Produktionsfreiheit erlaubt es, die Fasern optimal entsprechend der Kraftflüsse im Werkstück zu platzieren.

Weil Endlosfasern, anstelle von Faserabschnitten im Werkstoffverbund verwendet werden, erhält das Bauteil zusätzliche Stabilität. "Mit den Faserverbundmaterialien kann gegenüber den heute in der additiven Fertigung eingesetzten Kunststoffen eine um etwa den Faktor zehn höhere Festigkeit erreicht werden", freut sich Fischer. Weiterhin lasse sich mit der Technologie die für den 3D-Druck geeignete Werkstoffpalette entscheidend erweitern. Möglich seien, so Fischer, alle Thermoplast-Materialien, die sich mit der Düse aufschmelzen lassen, sowie die Kombination mit zahlreichen Fasern, z. B. Glas, Aramid oder Kohlenstoff. Auch die Verarbeitung biobasierter Kunststoffe und Naturfasern sei möglich.

Mit ihrem 3D Fibre Printer haben die IPA-Experten schon Materialprüfkörper für interne Tests gedruckt. Um ihn der Industrie zugänglich zu machen, muss er aber noch weiterentwickelt werden. Dies soll nun in gemeinsamen Projekten mit dem Netzwerk 3D-CP erfolgen. "Uns geht es vor allem darum, dem Mittelstand die Technik zugänglich zu machen", informiert Netzwerkmanager Markus Kafara von der Fraunhofer-Projektgruppe Regenerative Produktion in Bayreuth. Das nächste Treffen findet am 27. Juli Netzwerkpartner Picco's 3D World in Deggendorf statt. Interessierte Unternehmen aus den Bereichen Digitalisierung, additive Fertigung oder FVK können noch beitreten und am Treffen teilnehmen.

mg