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3D-Druck

CFK-Composites aus dem 3D-Drucker

| Autor/ Redakteur: Andreas Fischer / Frauke Finus

Durch eine Integration von Endlosfasern in den Kunststoffstrang ermöglicht der 3D Fiber Printer eine Generative Fertigung von Verbundwerkstoffen. Es können dabei andere Materialien gekapselt werden. Mit Industrierobotern kombiniert lässt sich das Verfahren in klassische Fertigungslinien einbinden.

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Integrierte Elektrolumineszenz-Leuchtfolie mit Inverter in FLM-Bauteilen.
Integrierte Elektrolumineszenz-Leuchtfolie mit Inverter in FLM-Bauteilen.
(Bild: Fraunhofer IPA)

Aufgrund der immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen für Produkte aller Art werden die generativen Fertigungsverfahren immer wichtiger. Weiterhin können die gesellschaftlichen Megatrends Individualisierung, Ökologie und Leichtbau von der Industrie nur rudimentär bedient werden. Durch Generative Verfahren wie das Fused Layer Modeling (FLM), Selektives Lasersintern (SLS) oder Selektives Laserschmelzen (SLM) können erste Muster bis hin zu fertigen Serienteilen in kürzester Zeit und höchster Materialqualität gefertigt werden. Verbundwerkstoffe aus Matrix und Faser sind in vielen Branchen gefragt.

Endlosfasern in den Kunststoffstrang integrieren

Aktuell werden Faserkunststoffverbund-Leichtbauteile im großen Stil in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Auch in anderen Gebieten, wie dem Automobilbau oder der Medizintechnik, sind immer leichtere und stabilere Werkstoffe gewünscht. Bis heute sind Verbundwerkstoffe aus Matrix und Faser allerdings nur teilweise industriell herstellbar und müssen deshalb oft mit einem großen Anteil von Handarbeit produziert werden.

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Grundsätzlich ist für die Herstellung von Faserkunststoffverbund-Bauteilen eine Form notwendig, die wiederum die Kosten für die Bauteile neben der manuellen Handarbeit deutlich erhöht. Die Schnittmenge zwischen den generativen Fertigungsverfahren und den Verbundwerkstoffen ist relativ gering, was auf die schwer mögliche Kombination der beiden Systematiken zurückzuführen ist. Der Ansatz des 3D Fiber Printer ist die Generative Fertigung von Verbundwerkstoffen mittels der Integration von Endlosfasern in den Kunststoffstrang beim Fused Layer Modeling.

Sechsachsiger Knickarmroboter hilft mit

Um Bauteile zu erzeugen, wird der Matrix-Faser-Verbund schichtweise aufgetragen. Der spezielle Schmelzkopf des 3D Fiber Printer muss dazu im richtigen Verhältnis Endlosfaser und Matrix in eine Düse leiten und die Faser vollständig mit dem Kunststoff ummanteln. Die Ummantelung, die im Schmelzkopf stattfindet, ist sehr wichtig, um eine bestmögliche Haftung zwischen der Faser und dem Kunststoff zu erhalten. Dem Schmelzkopf wird der thermoplastische Kunststoff als Strang zugeführt und durch eine mechanische Vorschubeinrichtung in die Düse befördert. In der Düse wird der Strang aufgeschmolzen und die Endlosfaser eingebracht. Als Achssystem kann zum Beispiel ein Sechsachs-Knickroboter eingesetzt werden. Er bietet neben einer sehr guten Skalierbarkeit bezüglich Bauteilgröße auch die Möglichkeit, andere Bauteile, Komponenten oder Halbzeuge in den 3D gedruckten Faserkunststoffverbund zu integrieren. Durch den 3D Fibre Printer wird die automatisierte und formlose Herstellung komplexer thermoplastischer Faserkunststoffverbund Bauteile aus Matrix und Endlosfaser ab Losgröße eins erreichbar.

Beim FLM-Verfahren wird Stützmaterial benötigt

Beim FLM-Verfahren wird über mehrere Düsen aufgeschmolzenes, thermoplastisches Material zur Erzeugung der Schichtkonturen eingesetzt. Durch die schnelle Abkühlung des Materials bildet dieses die feste Bauteilgeometrie. Beim dreiachsigen-FLM-Verfahren ist eine zusätzliche Stützstruktur nötig, um einen Unterbau herzustellen, wenn Bauteilkontouren gedruckt werden sollen, die Überhänge von mehr als 45° haben. Diese Stützstruktur kann in einem Nachbearbeitungsschritt je nach Materialart mechanisch, thermisch oder durch Auswaschen entfernt werden.

Das thermoplastische Stützmaterial wird, wie das Ausgangsmaterial, über eine Düse aufgebracht. Beide Materialien liegen als Strang vor, der in Spulen aufgewickelt ist. Als Ausgangsmaterial kann grundsätzlich jeder thermoplastische Werkstoff verwendet werden.

Fast so belastbar wie ein Spritzgußteil

Am häufigsten werden die Materialien ABS, ABS-i, PLA, PC und PPSU eingesetzt. Professionelle FLM-Anlagen können derzeit maximal zehn unterschiedliche Thermoplaste verarbeiten. Diese können jedoch nur schichtweise und in vorgeschriebenen Verbindungen kombiniert werden. Die Ausgangsmaterialien liegen durchgefärbt in verschiedenen Farben vor. Die Materialfarbe kann gezielt in jeder Schicht geändert werden. Dadurch sind mehrfarbige Bauteile möglich.

Das maximale Bauvolumen bei professionellen FLM-Anlagen liegt derzeit bei 914 mm × 610 mm × 914 mm. Die Oberflächenqualität ist geprägt durch die aufeinander abgelegten Schichten (Extrusionsraupen). Die Schichten sind je nach Dicke, die von 0,178 bis 0,254 mm reicht, gut sichtbar. Durch das nachträgliche automatische Glätten mit Acetondampf kann eine annähernde Spritzgussoberflächenqualität erzielt werden. Die Belastbarkeit der FLM-Teile liegt bei etwa 80 % eines vergleichbaren Spritzgussbauteils.

Den Bauvorgang gezielt anhalten, um Dinge im Bauteil zu kapseln

Durch die geringen Prozesstemperatur und den Vorteil, den Bauvorgang definiert anzuhalten, ist es möglich andere Materialien wie Metalle, ganze Halbzeuge oder empfindliche Elektronik im Prozess einzulegen und im Bauteil zu kapseln. Dadurch lassen sich Funktionen wie Licht in mit FLM hergestellten Bauteile integrieren. Bei klassischen dreiachsigen FLM-Systemen ist diese Systematik jedoch nur begrenzt umsetzbar. Zum einen sind nicht alle Geometrien darstellbar und zum anderen kann bei auswaschbarem Stützmaterial die integrierte Komponente beschädigt werden. Wird ein mehrachsiges Industrierobotersystem als Achssystem benutzt, können diese beiden Einschränkungen aufgehoben werden. Durch die Erhöhung der Freiheitsgerade im Achssystem, ist es möglich, auf Stützmaterial zu verzichten und auch komplexe Geometrien, ähnlich dem Schlichten beim Fräsen, dreidimensional zu Umdrucken.

Mit dem adaptierten FLM-Verfahren lassen sich neben den klassisch verfügbaren Thermoplasten auch kundenspezifische Materialien verarbeiten. Im Polycarbonat-Bereich sind die Typen Makrolon 2808, Makrolon 9415 und der ABS Blend Bayblend T65 PG getestet und nutzbar.

Weiterhin sind im Thermoplastischen-Polyurethan-Bereich die Typen Desmopan 385, Desmopan 9873DU, Desmopan 3660DU, Desmopan 3695AU, Desmopan 3360A und Desmopan 3070A getestet und nutzbar. Auch Multimaterial-Bauteile lassen sich mit dem adaptierten FLM-Verfahren erzeugen, zum Beispiel der Oktopus Siphon Aktor (OSA) der aus festem PC und nachgiebigem TPU 3D gedruckt wurde.

Integration von Endlosfaser im FLM-Verfahren

Das Kunststofffilament besteht aus einem 3 mm dicken Materialstrang, der Zug- und auch Druckkräfte aufnehmen kann. Damit ist die Förderung dieses Filaments relativ problemlos möglich, indem man ihn zwischen zwei Ritzeln beziehungsweise einem Ritzel und einem Kugellager verspannt und durch Drehen des Ritzels einen kontinuierlichen Vorschub erreicht. Da das Filament nun Druckkräfte aufnehmen kann, ist es möglich das Material durch diese Vorschubbewegung bis zum Austritt aus der Düse vorwärts zu schieben. Genau diese Eigenschaft der Aufnahme von Druckkräften fehlt den Fasern.

Um eine Faser vorwärts zu bewegen muss sie gezogen werden. Der Vorschub des Kunststoffs stellt kein Problem dar und ist Stand der Technik. Für die Förderung der Faser wurde das Prinzip einer Wasserstrahlpumpe adaptiert und angepasst.

10 % Fasergehalt ist per Drucker machbar

Das strömende Medium, in diesem Fall die thermoplastische Schmelze, wird durch die Düse geleitet und fließt dabei an einer seitlichen Öffnung vorbei. Hier wird die Faser zugeführt und in die Schmelze gebunden. Dadurch entsteht eine mechanische Verbindung zwischen Faser und Matrix, die dafür sorgt, dass noch mehr Faser in den Extruder gezogen wird. Somit wird die Faser auf dem Weg zum Düsenausgang mit der richtigen Menge Kunststoff ummantelt und gleichzeitig mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit wie der Kunststoff mitgeführt. Der erste Druckversuch wurde mit einem 3K-Carbonroving und Desmopan 3695AU (TPU) durchgeführt. Angefangen wurde mit einer einfachen geraden Bahn, um zu zeigen wie gut die Benetzung der Faser mit dem TPU ist. Gedruckt wurde auf einer beheizten 110 °C heißen Aluplatte, die mit Kaptonklebeband überzogen war.

Inzwischen können Bauteile mit 10 % Fasergehalt erzeugt werden. Es ist jedoch bei der Erzeugung von Bauteilen darauf zu achten, dass die klassische FLM Füllstrategie Rectilinear nicht kompatibel zur integrierten Faser ist. Um Bauteile mit Faserintegration herzustellen, kann bei klassischen dreiachsigen FLM-Systemen die Füllstrategie Concentric genutzt werden. Hierbei dienen Offset-Bahnen der Außenkontur des Bauteils als Füllung. Durch diese Füllstrategie wird das Abreißen der Faser durch zu hohe Kräfte eliminiert. Durch die spezielle Förderung der Faser ist es auch möglich die Faserzufuhr gezielt an- beziehungsweise abzuschalten. Dadurch können gezielt Regionen im Bauteil mit Faser verstärkt werden.

Kombination von FLM-Verfahren mit Industrierobotern

Ein industrieller Einsatz dieser Technologie erfordert noch umfangreiche Untersuchungen, aber es wurde gezeigt, dass die Einbringung einer Faser beim FLM-Verfahren grundsätzlich möglich ist. Weiterhin werden die im Labormaßstab getesteten Faser-FLM-Druckwerke auch an einem Industrieroboter eingesetzt, um größere Bauteile und fasergerechte Fertigungsstrategien zu ermöglichen. Auch die Problematiken von Oberflächenqualität und Fertigungszeit lassen sich durch den Einsatz von Industrierobotern vorteilhaft lösen. Die Verbesserung der Oberflächenqualität kann durch nachträgliche Bearbeitung durch einen weiteren Industrieroboter kostengünstig gelöst werden. Die Fertigungszeit kann durch kooperierende Industrieroboter, die gemeinsam an einem Bauteil fertigen, reduziert werden. Die Kombination des FLM-Verfahrens mit Industrierobotern eröffnet auch die Möglichkeit, Generative Fertigung modular und kostengünstig in klassische Fertigungslinien zu integrieren und somit deren Einsatzspektrum zu erweitern.

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