Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Additive Fertigungstechnologien gewinnen in der Industrie zunehmend an Bedeutung, insbesondere in der Serienproduktion. Mit der breiten Palette an Anwendungen wachsen auch die Anforderungen an neue Materialien. Hierbei kommt den extrusionsbasierten 3D-Druckverfahren, insbesondere dem Fused Filament Fabrication (FFF), eine Schlüsselrolle zu – vor allem in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU).
Im Rahmen des Projekts Reactive Printing werden latent reaktive Filamente auf Epoxidharz-Basis entwickelt. Diese innovativen Materialien können bei niedrigen Prozesstemperaturen verarbeitet und direkt im Druckprozess zu duromeren Bauteilen vernetzt werden. So lässt sich die einfache thermoplastische Verarbeitbarkeit mit den Vorteilen duromerer Werkstoffe vereinen.
Aktuelle Herausforderungen beim Einsatz thermoplastischer Filamentmaterialien
Der Einsatz thermoplastischer Filamentmaterialien führt häufig zu Qualitätsproblemen bei gedruckten Bauteilen. Dies ist besonders dann der Fall, wenn Teile gedruckt werden, die im Einsatz hohen Temperaturen standhalten müssen. Häufig werden dann Hochleistungsthermoplaste (z. B. PEI, PEEK oder PPSU) verwendet, welche bei hohen Prozesstemperaturen gefertigt werden. Als direkte Folgen ergeben sich starke Temperaturgradienten zwischen Druckdüse und Bauteiloberfläche, hohe thermische Spannungen, ungenügende Schichthaftung, Warping sowie maßliche Abweichungen im gedruckten Bauteil durch Schwindung und Verzug.
Forschungsziel
Mit der Entwicklung von Epoxidharz-basierten Filamenten sollen diese Herausforderungen gelöst werden. Die Materialien zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
- Reduzierte anisotrope Materialeigenschaften durch verbesserte Schichthaftung
- Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen ohne die Notwendigkeit für Hochleistungsthermoplaste
- Zugang zu duromeren Faserverbundbauteilen im FFF-Druck
- Herstellung von Hybridbauteilen durch den Druck stoffschlüssiger Verbindungen auf bereits bestehende Baustrukturen unterschiedlicher Materialien
Lösungsweg
In » Reactive Printing « befasst sich das Fraunhofer IFAM mit der Harzformulierung zur Herstellung der Filamente für den FFF-Druck sowie mit der Materialcharakterisierung. Außerdem wird vom Fraunhofer IFAM ein Drucker aufgebaut, der für die Charakterisierung der Druckeigenschaften und den Druck von Testbauteilen verwendet wird und nach dem Projekt als Demonstrator zur Verfügung steht. In Kooperation befasst sich das SKZ schwerpunktmäßig mit der Filamentherstellung und -charakterisierung, wozu eine Demonstratoranlage aufgebaut wird. Zudem führt das SKZ numerische Berechnungen zum Aufschmelz- und Austragsverhalten vernetzbarer Formmassen sowie die Charakterisierung der Bauteileigenschaften durch. Zum Projektende erfolgt die Evaluierung der Prozesskette anhand von praxisnahen Bauteilen.
