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3D-Kunststoffdruck Bei der Materialextrusion geht noch mehr

| Autor / Redakteur: Martin Wolf / Simone Käfer

Die Materialextrusion hat mehr Potenzial, als die üblichen Anwendungen vermuten lassen. Was man an der Uni Stuttgart bisher an Möglichkeiten erschlossen hat.

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Die Materialextrusion (auch FFF, FDM) gehört zu den verbreitetsten additiven Fertigungsverfahren. Doch bleibt ihr Potenzial ungenutzt.
Die Materialextrusion (auch FFF, FDM) gehört zu den verbreitetsten additiven Fertigungsverfahren. Doch bleibt ihr Potenzial ungenutzt.
(Bild: Universität Stuttgart)

So etabliert die Materialextrusion, also die Additive Fertigung mit Filamenten aus Kunststoff (auch FDM oder FFF), für die Fertigung von Prototypen und Kleinserien ist, so ungenutzt bleibt ihr Potenzial. Die meisten Maschinen verarbeiten ein bis zwei verschiedene Materialien im Druckprozess, wobei aus einem der Materialien in der Regel die wasserlöslichen Stützstrukturen entstehen. Das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart will das brachliegende Potenzial heben und forscht derzeit an Methoden, die Bauteilkomplexität durch Kombination aus verschiedenen Materialsystemen zu vergrößern. Im Gegensatz zu den meisten additiven Verfahren können bei der Materialextrusion mehrere Werkstoffe problemlos in sequenzieller Kombination verarbeitet werden. Entscheidender Vorteil dabei ist, dass auch andere Werkstoffe als thermoplastischer Kunststoff aufgetragen werden, ohne dass sie sich ungewollt vermischen.

Für den mehrachsigen Druck mit der Materialextrusion wurden am ISW zwei Druckanlagen mit sieben und acht Achsen entwickelt. So ist der Aufbau eines Bauteils nicht auf die horizontale ebene Fläche beschränkt, sondern es können nahezu frei geformte Flächen oder auch nur einzelne Materialstränge auf eine Bauteilgeometrie aufgebracht werden. Hierbei steht die Ausnutzung der spezifischen Funktion des zu druckenden Materials im Fokus. Da die Bauplatte mittels rotatorischer Achsen gedreht und gekippt werden kann, werden bei komplexeren Bauteilen und hohen Bahngeschwindigkeiten viele Stützstrukturen überflüssig. Darüber hinaus können Nachteile des Verfahrens, wie der Treppeneffekt und die stark richtungsabhängige Bauteilfestigkeit, durch eine intelligente Nutzung der zusätzlichen Freiheitsgrade vermindert werden.

Der faserverstärkte Mehrachsdruck

Ein Verfahren, dessen Eigenschaften besonders von dieser großen Gestaltungs- und Materialfreiheit profitieren, ist das Drucken mit Endlosfaserverstärkung. Dabei wird ein Bauteil durch das Einlegen einer Faserverstärkung in der Richtung der größten Beanspruchung verstärkt. Zwar arbeiten bereits einige Unternehmen mit dieser Technik, sie sind jedoch durch die dreiachsige Kinematik auf einfache, ebene Lastfälle beschränkt. Erst durch die zusätzlichen Freiheitsgrade der Mehrachsdrucker wird es möglich, ein Bauteil auf nahezu beliebige oder überlagerte Lastfälle optimiert zu fertigen. Die Faserverstärkung ist hier nicht mehr auf eine Ebene beschränkt, sondern kann sich, orientiert an den per Finite-Elemente-Simulation ermittelten Spannungszuständen und den daraus resultierenden Lastpfaden, frei durch das gesamte Bauteil ziehen.

Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Verstärkung nur in minimaler Menge in das Bauteil eingebracht werden muss und der thermoplastische Kunststoff immer noch eine freie Formgebung ermöglicht. Der Rohstoffeinsatz beider Komponenten kann auf diese Weise auf ein Minimum reduziert werden. Auch Zeit und Kosten werden eingespart. Ein entsprechendes Verfahren zum faserverstärkten Drucken wird derzeit in einer Kooperation mit dem Institut für Flugzeugbau (IFB) implementiert und durch den Wissens- und Technologietransfer der Universität Stuttgart gefördert.

Der Knorpel aus dem Drucker

Mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) testet das ISW, patientenspezifisch angepasste, künstliche Knorpel additiv zu fertigen. Dazu wird zuerst die individuelle Knochengeometrie aus Computertomografie-Aufnahmen rekonstruiert und für die Materialextrusion aufbereitet. Auf Basis dieses Modells wird dann als Grundstruktur ein Ausschnitt des Knochens gedruckt, der für die nachfolgende Beschichtung als Druckunterlage dient. Die Beschichtung erfolgt mit einer künstlichen Knorpelmasse, die im Rohzustand eine honigartige Viskosität aufweist und mit einer speziell dafür entwickelten Dosiereinheit auf das Bauteil aufgetragen wird.

Nur die hohe Bewegungsfreiheit der mehrachsigen Additiven Fertigung verhindert, dass das Material zerfließt. Und nur so kann die exakte Geometrie aufgebaut werden. Durch das direkte Drucken auf die gekrümmte Knochengeometrie ist darüber hinaus eine bessere Oberflächengüte und durch die konstante Bahnüberlappung eine im Vergleich konsistentere Materialstruktur möglich.

Das UV-resistive Material wird dabei schon während des Prozesses durch am Druckkopf angebrachte UV-LEDs kontrolliert ausgehärtet und kann nach der Fertigung einfach von der Druckunterlage entfernt werden. Da sowohl die Materialextrusion als auch das Beschichten auf derselben Maschine erfolgt, läuft der Prozess weitgehend automatisiert ab, ein manuelles Umspannen und gegebenenfalls Ausrichten des Bauteils entfällt.

Die vorgestellten Anwendungen zeigen, dass die mehrachsige Materialextrusion die Nachteile des dreiachsigen Verfahrens, die Notwendigkeit von Stützstrukturen, den Treppeneffekt und die richtungsabhängige Bauteilfestigkeit, weitgehend ausgleichen kann. Durch die Faserintegration und den an der Schwerkraft orientierten Druck von Knorpelmasse können die neuen Möglichkeiten darüber hinaus zu einem wesentlichen Vorteil des Verfahrens werden.

Die Bahnplanung der mehrachsigen Materialextrusion ist näher an der der subtraktiven 5-Achs-Fertigung als an der herkömmlichen Planung für das additive Verfahren.
Die Bahnplanung der mehrachsigen Materialextrusion ist näher an der der subtraktiven 5-Achs-Fertigung als an der herkömmlichen Planung für das additive Verfahren.
(Bild: Universität Stuttgart)

Bahnplanung erinnert an Zerspanung

Für die vorgestellten Verfahren sind die üblichen Slicer (Bahnplanungsprogramme) für die Materialextrusion nicht geeignet, da hier, trotz der grundsätzlichen Ähnlichkeit des Prozesses, deutlich umfangreichere Problemstellungen zu lösen sind. Insbesondere die Kollisionsvermeidung, die Orientierung des Druckkopfs im Raum und auf der Bauplattform, die Sicherstellung konstanter Bahnabstände auf gekrümmten Flächen und infolge­dessen auch die lokale Variation der Schichtdicke, stellen hierbei vollständig neue Herausforderungen dar. Selbst das freie Bewegen des Druckkopfes ab dem Ende einer Bahn muss entsprechend dem aktuellen Druckfortschritt kollisionsfrei geplant werden. Die Bahnplanung der mehrachsigen Materialextrusion ist daher näher an der der subtraktiven 5-Achs-Fertigung als an der herkömmlichen Planung für das additive Verfahren. Gegenüber der subtraktiven Fertigung hängt die Beschaffenheit des Endprodukts deutlich signifikanter von der Bahnplanung ab, da die Ausrichtung der Bahnen, die Integration von Zusatzelementen wie Faserverstärkung und letztendlich auch die Wahl der gekrümmten Flächen die späteren Bauteileigenschaften wesentlich beeinflussen.

Das ISW entwickelt daher gegenwärtig ein vollständig neues Slicer-Programm auf Basis der Open-Source-CAD-Software Free­CAD, um die speziellen Anforderungen der mehrachsigen Additiven Fertigung berücksichtigen zu können und auch den mehrachsigen Zweikomponentendruck möglich zu machen. Die Verfahren des Knorpeldrucks und des faserintegrierten Druckens wurden dabei bereits prototypisch umgesetzt.

  • Bei der Materialextrusion können mehrere Werkstoffe problemlos in sequenzieller Kombination verarbeitet werden.
  • Ein Großteil der Stützstrukturen wird überflüssig.
  • Eine Faserverstärkung ist nicht mehr auf eine Druckebene beschränkt, sondern kann sich durch das gesamte Bauteil ziehen.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt veröffentlicht.

* Martin Wolf ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISW der Universität Stuttgart in 70174 Stuttgart, Tel. (07 11) 6 85-8 45 23

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