3D-Druck mit Endlosfasern für maximalen Leichtbau

Forscher der TU Kaiserslautern zeigen auf der Hannover Messe gedruckte Leichtbauteile mit Endlos-Faserverstärkung, die sehr leicht und doch stabil sind.

Laut einer Untersuchung des US-amerikanischen Marktforschungsinstitutes SmarTech Publishing ist der für 3D-Drucker im Jahr 2018 um 18 % gewachsen. Die Technik macht es beispielsweise möglich, filigranere Bauteile zu fertigen. Um solche Druckerzeugnisse leicht, dabei aber auch stabil und fest zu machen, sind faserverstärkte Kunststoffe oft das Mittel der Wahl.

Auch die Ingenieure der Technischen Universität Kaiserslautern beschäftigen sich mit diesem Material und der Technik. „Wir arbeiten daran, Produkte aus Kunststoff mit dem 3D-Druck derart herzustellen, dass diese optimal für ihre Verwendung sind“, sagt Miaozi Huang, Doktorand am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe bei Professor Dr. Alois Schlarb im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik.

Das Besondere: Zum Einsatz kommen bei ihren faserverstärkten Kunststoffen sogenannte Endlosfasern. Diese werden als Ganzes – ähnlich wie eine Schnur – in den Kunststoff eingebaut. Bei anderen Verfahren werden solche Fasern nicht am Stück, sondern als einzelne Mikropartikel beigemischt.

Die Kunststoffe, bei denen Endlosfasern Verwendung finden, haben jedoch einen klaren Vorteil, wie der Doktorand erläutert: „Dadurch ist das fertige Produkt deutlich stabiler. Es besitzt eine höhere Steifigkeit.“

Das Team um Huang befasst sich damit, den Druckprozess zu verbessern. „Wir untersuchen, wie die Strukturen des Kunststoffs beschaffen sein müssen, damit das Produkt höhere Lasten tragen kann.“ Auch prüfen die Ingenieure, wie die Parameter am Drucker eingestellt sein müssen, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Dazu zählen beispielsweise Temperatur, Schichthöhe oder Druckgeschwindigkeit.

Wichtig sind in diesem Zusammenhang außerdem der Aufbau und die Ausrichtung der einzelnen Kunststoff-Schichten. Darüber hinaus experimentieren die Wissenschaftler mit unterschiedlichen Kunststoffen, die sie zum Teil selbst entwickelt haben.

Die 3D-Drucktechnik bietet den Forschern außerdem verschiedene Möglichkeiten bei der Produktion. „Wir können damit äußerst dünne Schichten herstellen“, sagt Huang. Auch sind sie in der Lage, ihre Produkte nur an gewünschten Stellen zu verstärken. An anderen Stellen kann wiederum Material eingespart werden.

Interessant ist das Drucken von faserverstärkten Kunststoffen vor allem für den Leichtbau: An Karosserien und den Antrieben von Fahrzeugen oder den Hebeln von Fahrrädern ließe sich beispielsweise gezielt Material sparen. Denn nach dem Vorbil der Natur werden die Bauteile nur an den Stellen verstärkt, an denen sie einer hohen Belastung etwa durch Druck ausgesetzt sind.

Auf der Hannover Messe stellen die Wissenschafter am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 2, Stand B40) ihre Arbeit und ihren 3D-Drucker vor.

gk