06.03.2019

Rasanter 3D-Druck

Pro Stunde werden bis zu sieben Kilogramm Kunststoff durch eine heiße Düse gedrückt.

Mit 3D-Druckern lassen sich kleine Souvenirs schichtweise aus geschmolzenem Kunststoff aufbauen. Bis zu einer Stunde kann es dauern, so ein Mitbringsel im Hosentaschenformat herzustellen. Dieses Verfahren ist viel zu langsam, um damit Bauteile in Großserien herzustellen, wie sie beispielsweise die Automobilindustrie benötigt. Ein System des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz ändert dies nun und hebt den 3D-Druck damit auf eine neue Stufe: Für die Fertigung eines dreißig Zentimeter hohen Bauteils aus Kunststoff benötigt die Highspeed-Technologie lediglich 18 Minuten.

Abb.: Dieses Versuchsbauteil ist ein Hybrid aus CFK-Blech und 3D-gedruckten...
Abb.: Dieses Versuchsbauteil ist ein Hybrid aus CFK-Blech und 3D-gedruckten Strukturen. (Bild: Fh.-IWU)

Das Forscherteam hat das Verfahren für die Additive Fertigung großvolumiger, belastbarer Kunststoff­bauteile entwickelt. Werkzeug­hersteller, aber auch die Automobil- und Luftfahrtbranche profitieren von dem neuartigen 3D-Drucker, der eine um den Faktor 8 gesteigerte Prozess­geschwindigkeit erreicht. Er nutzt das an dem Chemnitzer Institut entwickelte Fertigungs­verfahren SEAM, kurz für Screw Extrusion Additive Manufacturing.

Doch wie erzielt SEAM die hohen Prozess­geschwindigkeiten? „Indem wir Werkzeug­maschinen-Technologie mit 3D-Druck kombinieren“, sagt Martin Kausch, Wissenschaftler am Fraunhofer IWU. Zur Verarbeitung des Kunststoffs verwenden die Forscher eine eigens konstruierte Einheit, die das Rohmaterial aufschmilzt und mit einer hohen Austragsleistung ausstößt. Diese Einheit installierten sie über einer Bauplattform, die sich mithilfe des Bewegungs­systems einer Werkzeug­maschine auf sechs Achsen schwenken lässt. „Diese Kombination ist bislang einzigartig“, so Kausch.

Auf der Bauplattform wird der heiße Kunststoff in Schichten abgelegt. Das Bewegungs­system der Maschine sorgt dafür, dass die Bauplatte so unter der Düse entlanggleitet, dass die zuvor programmierte Bauteilform erzeugt wird. Der Tisch lässt sich mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde in die X-, Y- sowie Z-Achse bewegen und auch um bis zu 45 Grad kippen. „Damit drucken wir acht Mal schneller als herkömmliche Verfahren. Herstel­lungszeiten von Kunststoff­bauteilen lassen sich somit enorm reduzieren.“

Pro Stunde werden bis zu sieben Kilogramm Kunststoff durch die heiße Düse mit dem Durchmesser von einem Millimeter gedrückt. Die vergleich­baren 3D-Druckverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) oder FLM (Fused Filament Modeling) erreichen in der Regel nur fünfzig Gramm Kunststoff pro Stunde. Die Besonderheit: SEAM verarbeitet statt teurem FLM-Filament rieselfähiges, preisgünstiges Standard-Kunststoff­granulat zu belastbaren, faser­verstärkten, mehrere Meter großen Bauteilen. Auf diese Weise lassen sich die Materialkosten um das 200-fache senken.

Mit SEAM können die Forscher komplexe Geometrien ohne Stützstrukturen umsetzen. Der Clou: Mit dem neuen System gelingt es sogar, auf bereits bestehende Spritzgieß­bauteile aufzudrucken. „Da sich unsere Bauplattform schwenken lässt, sind wir in der Lage, mit einer separat bewegten Z-Achse auf gekrümmte Strukturen aufzu­drucken“, sagt Kausch. „In Tests konnten wir verschiedenste Kunststoffe verarbeiten. Dies reicht von thermo­plastischen Elastomeren bis hin zu Hochleistungs­kunststoffen mit vierzig Prozent Kohlenstofffaser. Das sind für die Industrie besonders relevante Materialien, die sich mit klassischen 3D-Druckern nicht verarbeiten lassen.“

FhG / JOL

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