Prozesstechnik zur Filamentherstellung für den 3D-Druck

Die Integration hochelektrisch und thermisch leitfähiger Füllstoffe in einen Kunststoff, mit nahezu gleichbleibenden Verarbeitungsmöglichkeiten, lässt ein neues Materialsystem entstehen, welches dem Anwender ein sehr breites Nutzungsspektrum bietet. Dieses betrifft diverse Branchen, u.a. Luftfahrt, Automotive, Medizintechnik uvm.. Die Weiterverarbeitung über den 3D-Druck bietet hier weitere funktionale und designtechnische Vorteile und Aspekte.

Das Fraunhofer IFAM ist spezialisiert auf das Compoundieren hochgefüllter Spezialpolymerkomposite und die anschließende Weiterverarbeitung zu druckfähigen Kompositfilamenten. Für die Verarbeitung bzw. Herstellung von Filamenten aus Polymerkompositmaterialien besitzt das Institut umfassendes Know-how und neueste Technologien bzw. Prozesstechniken. Die Zusammensetzung des Materials (Füllstoffe, Füllstoffgehalt) als auch die Auswahl des Basispolymers, erfolgt maßgeschneidert nach Anforderungsprofil des Anwenders.

Das Fraunhofer IFAM verfügt über eine komplette Speziallinie für die Abformung von Kompositen zu druckfähigen Filamenten. Die Arbeitsgruppe »Functional Composites« besitzt dabei jahrelange Erfahrung in der Verarbeitung bzw. Herstellung von Filamenten aus Polymerkompositmaterialien. 

Herstellung von Filamenten aus Polymerkompositmaterialien

Als Matrixpolymere können thermoplastische Kunststoffe wie PA6, PA6.6, PA12, PP, PPS, ABS, PEI und PEEK usw. als auch unter anderem thermoplastische Elastomere (TPE) verwendet werden. Als Füllstoffe können über vielseitige Dosiertechniken eine große Anzahl metallischer Füllstoffe in Pulver, Granulat und Faserform eingearbeitet werden. Weitere Füllstoffkomponenten wie Graphit, Kohlenstoffderivate und keramische Komponenten können ebenso verarbeitet werden wie die Funktionsmaterialien aus dem magnetischen Bereich.

Für den 3D-Druck (auch Fused Filament Fabrication, kurz FFF genannt) wird das erhaltene Kompositgranulat zu Filamenten mit homogener Mikrostruktur extrudiert, die geometrische Qualität überprüft und auf Rollen konfektioniert. Die Spezialfilamente für den FFF-Druck / FDM-Druck können nach Kundenwünschen in 1,75 bzw. 2,8 mm hergestellt werden. Die Materialien können direkt auf handelsüblichen 3D-Druckern verdruckt werden. So ist es möglich, 3D-gedruckte Bauteile mit Spezialeigenschaften herzustellen.

Bei der Herstellung der Komposite und nachfolgend der Filamente kann auf zwei „Routen“ dem Bedarf des Anwenders entgegengekommen werden. Neben dem Verdrucken des FFF-Materials und dem Erhalt des fertigen Bauteils besteht die Möglichkeit das Vormaterial so zu konzipieren, dass nach dem Druckprozess ein Entbindern des Kunststoffes und anschließend ein Sintervorgang ein reinmetallisches Bauteil entstehen lässt.

Funktionsintegration durch Weiterverarbeitung im 3D-Druck 

Neben der Verarbeitung bzw. Herstellung der Filamente aus den funktionalen Kompositen können diese Materialien ebenso als passendes Granulat konfektioniert werden, um sie mittels Pelletdruckkopf weiterzuverarbeiten. Interessant ist das unter anderem für Anwendungen im Automobilbau, Aviation, Bahntechnik, Energietechnik, Medizintechnik und Umwelttechnik. Dort können die spezifische Kompositmaterialien mittels Filamente und Granulate mit den integrierten Funktionsstoffen ideal im 3D-Druck verarbeitet werden, um in Prototypen und Kleinserien Funktionen effizient und mit neuen Möglichkeiten zu integrieren.

Formgebung und Funktionalisierung sind Kernkompetenzen des Fraunhofer IFAM. In der Arbeitsgruppe »Functional Composites« entwickelt Arne Haberkorn speziell Filamente und Granulate mit hohen Füllstoffanteilen und besonderen Funktionen für den 3D-Druck. In der Abteilung »Smart Systems« verfügt die Gruppe über umfassendes Know-how und neueste Technologien der Funktionsintegration. Die Anwendungsfelder reichen vom Automobilbau, über die Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zur Medizintechnik.