Leichtbau mit Faserverstärkung aus dem 3D-Drucker

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Wissenschaftler der TU Dresden haben einen System-Druckkopf für die Verarbeitung von Verstärkungsfasern aus Hybridgarn im 3D-Druck-Verfahren entwickelt. Der neuentwickelte Druckkopf berücksichtigt die spezifischen Verarbeitungseigenschaften und -anforderungen von Faserverbunden und ist in der Lage, erstmals kommerzielle Hybridgarne im 3D-Druck zu verarbeiten und dadurch dreidimensionale Objekte mit hohem Faservolumengehalt zu erzeugen.

Additive Fertigungsverfahren bieten durch die nahezu grenzenlose Formfreiheit ein großes Potential für den Leichtbau. Zu den erfolgreichsten Verfahrensvarianten zählt das Schmelzschicht-Verfahren (Fused Deposition Modeling – FDM). Die strukturellen Eigenschaften hergestellter Komponenten sind durch den Einsatz von unverstärkten Thermoplasten bisher jedoch begrenzt.

Für die Anwendung von endlosfaserverstärkten Thermoplasten im 3D-Druck-Verfahren wurde am ILK ein Druckkopf entwickelt, der die spezifischen Verarbeitungseigenschaften und -anforderungen von Faserverbunden berücksichtigt. Der neuartige Druckkopf ist in der Lage, erstmals kommerzielle Hybridgarne im 3D-Druck zu verarbeiten und dreidimensionale Objekte mit hohem Faservolumengehalt zu erzeugen.

Diese Zugschlaufe wurde am ILK im 3D-Druckverfahren mit Endlosfaserverstärkung aus Glasfaser-Polypropylen hergestellt. Foto: ILK

Als Ausgangsmaterial für den Druck-Prozess nutzen die ILK-Wissenschaftler ein Hybridgarn aus Glasfasern und Polypropylen als Verstärkungs- und Matrixkomponente und realisieren damit die Herstellung endlosfaserverstärkter Strukturen mit 35 Prozent Faservolumengehalt. Um die Verarbeitung des komplexen Werkstoffes zu ermöglichen, wurden mit Hilfe des neu entwickelten Druckkopfes umfangreiche Prozessstudien durchgeführt. In angepassten Versuchen konnten die Forscher bereits die relevanten elastischen Kennwerte und Festigkeiten bestimmen und eine Modellierungsstrategie zur Auslegung der neuen Werkstoffe erarbeiten.

Das neue Verfahren ermöglicht es, flexibel komplexeste Bauteile effizient und günstig herzustellen, die gleichzeitig hohen mechanischen Beanspruchungen gerecht werden. Mit dem entwickelten Faserdrucker wurden am ILK bereits erste Demonstratoren wie Biegeträger oder Zugstreben gedruckt und getestet. Die hergestellten Bauteile
veranschaulichen die Möglichkeit, verschiedene Faserorientierungen innerhalb derselben Schicht beanspruchungsgerecht umzusetzen und im Multi-Material-Design
mit anderen Werkstoffen zu kombinieren.

Das Innovationslabor für generative Fertigung wurde über die Professur für Funktionsintegrativen Leichtbau am ILK eingerichtet. Inhaber der Professur, Prof. Dr.-Ing. Niels Modler: "Der Leichtbau kann durch bionische Verstärkungsstrukturen, Multi-Material-Design und maßgeschneiderte Faserverbundtechnologie von der generativen Fertigung profitieren. Mit der Entwicklung des Druckkopfes etablieren wir eine vollkommen neue Materialgruppe der faserverstärkten Kunststoffe für die additive Fertigung."

Die additive Fertigungstechnologie bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, neuartige Produkte effizient und mit hoher Gestaltungsfreiheit herzustellen. Hochindividualisierte
und komplexe Bauteile können durch den charakteristischen schichtweisen Aufbau automatisiert und reproduzierbar hergestellt werden. Im Fokus der Forschungsaktivitäten am ILK stehen der gezielte Einsatz von Hochleistungswerkstoffen und deren synergetische Verbindung für einen ressourcenschonenden und kosteneffizienten Multi-Material-Leichtbau.

gk

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