Tradition trifft Hightech im 3D-Freiformen

3D-Freiformen mit Endlosfasern

„Um im Vergleich zu Metallbauteilen eine vergleichbar hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Performance mit Kunststoffen zu erhalten, setzt der Leichtbau größtenteils auf Faserverbundwerkstoffe, die bisher jedoch noch mit hohem Aufwand hergestellt werden“, erklärt der Maschinenbauer Florian Baumann, der als Doktorand am wbk im Bereich Leichtbau forscht. Bei Faserverbundmaterialien wird Kunststoff als bettende Matrix verwendet und verstärkende Fasern integriert, um die Stabilität und Festigkeit im Bauteil durch gegenseitige Wechselwirkungen der beiden Komponenten zu erhöhen. „Wir hatten uns zum Ziel gesetzt, die additive Fertigung von freigeformten, detailreichen Kunststoffstrukturen mit einer sinnvollen Faserverteilung zu ermöglichen“, blickt Sven Coutandin, der die Gruppe Leichtbaufertigung leitet, zurück.

Ein Prototyp am Institut beweist eindrücklich die Machbarkeit von qualitativ hochwertigen, additiv gefertigten Faserverbundbauteilen. „Gerade läuft die Validierungsphase des Prototyps. Was am Institut im Versuchsaufbau funktioniert, braucht jedoch noch weitere Entwicklungsarbeit bis zur Serienfertigung, um die nötige Prozesssicherheit zu gewährleisten“, sagt Prof. Fleischer. Dieser Aufgabe ist sich ARBURG bewusst: „Wir haben im Projektverlauf unser Know-how als Maschinenbauer und die Sichtweise aus dem Markt mit eingebracht. Es ist unser Bestreben, die vielversprechenden Ergebnisse in die Weiterentwicklung des AKF-Verfahrens für faserverstärkte Kunststoffe einfließen zu lassen“, so Neff.

Im Unterschied zur gängigen Fertigung von Faserverbundwerkstoffen, bei der vollflächige Halbzeuge, wie Gewebe und Gelege aus den verstärkenden Fasern, in den Kunststoff eingebracht werden, ermöglicht das Verfahren des wbk die automatisierte, bedarfsgerechte Faserverteilung und Ausrichtung von einzelnen Faserbündeln, Rovings genannt, oder Fasergarnen während des Druckens. Diese Form der Faserverarbeitung ist materialsparender. Eine eigens entwickelte Faserzufuhreinheit rotiert beim Druck rund um die Kunststoffaustragsdüse und platziert die Fasern so, dass diese während des Kunststoffaustrags direkt durch den ausgetragenen Kunststoff in das Bauteil implementiert werden. Baumann konkretisiert: „Aktuell können Faserverbundwerkstoffe aus herkömmlichem ABS-Granulat (Acrylnitril-Butadien-Styrol) mit Endlosglasfasern am Institut additiv gefertigt werden. Die Schwierigkeit bestand darin, die Endlosfaser so zu steuern, abzuschneiden und wieder neu zu implementieren, dass der Druck von komplexen, abgerundeten Formen und auch die lokal begrenzte Faserverstärkung von Teilbereichen realisiert werden kann.“

Bewährte Technologien in neuem Gewand

Während das klassische Spritzgießen das Marktbedürfnis nach der wirtschaftlichen Fertigung von großen Stückzahlen bedient, ist die additive Fertigung das Verfahren der Wahl, wenn es um die effiziente Produktion von kleinen Stückzahlen geht. Das am KIT entwickelte Verfahren zum Einbringen von Endlosfasern beim ARBURG Kunststoff-Freiformen zur Herstellung faserverstärkter Verbundbauteile profitiert von den Vorzügen beider Fertigungsansätze: Flexibilität und Kosteneffizienz bei der Materialauswahl vom Spritzgießen kombiniert mit wirtschaftlicher und qualitativ hochwertiger Herstellung von Kleinserien durch die additive Fertigung mit dem freeformer.

„Beim herkömmlichen Spritzgießen wird Kunststoffgranulat geschmolzen und anschließend in eine geschlossene Negativform eingespritzt, um unter Druck ein hochwertiges thermoplastisches Bauteil zu formen“, erklärt der Kunststoffexperte Neff. Aufgrund der Technologiereife und der Anwendungsbreite stehen zahlreiche Kunststoffe und Spezialkunststoffe, etwa für die Medizintechnik, als Standardgranulat bereit. Die aus dem Spritzgießen erprobte Materialaufbereitung bzw. Plastifizierung unterschiedlichster Kunststoffgranulate ist ebenfalls Herzstück des freeformers, den ARBURG 2014 auf den Markt brachte, um eine hohe Produkteffizienz für Kleinserien zu ermöglichen.

Hierbei macht der Materialaustrag den Unterschied zum Spritzgießen: Beim freeformer werden die Kunststoffbauteile, die vorab als 3D-CAD-Daten vorliegen, Schicht für Schicht aus feinsten Kunststofftropfen mithilfe einer speziellen Düse auf einem beweglichen Bauteilträger aufgetragen und so zu 3D-Bauteilen aufgebaut – ähnlich wie beim 3D-Druck. Den Takt der Düse gibt hierbei ein Piezoaktor vor, um den Kunststoff gleichmäßig aufzubringen. Anders als beim traditionellen Spritzgießen kommt der freeformer ganz ohne kostenintensive Spritzgießwerkzeuge aus, wodurch er für die Kleinserien- und Einzelteilfertigung prädestiniert ist. Im Unterschied zu anderen additiven Fertigungstechniken, die meist nur anbieterspezifische Filamente und Pasten verarbeiten können, unterliegt das ARBURG Kunststoff-Freiformen somit weniger Materialeinschränkungen. Der freeformer ermöglicht es auch, Bauteile mit komplexen Strukturen herzustellen, die mit dem traditionellen Spritzgießen nur bedingt möglich wären. „Die gewonnene Flexibilität eröffnet neue Möglichkeiten für die individuelle Fertigung von Leichtbauteilen“, erklärt Prof. Fleischer. „Das neue Verfahren zur additiven Fertigung von Faserverbundbauteilen mit endloser Glasfaserverstärkung ist dabei ein riesen Fortschritt.“

Leidenschaft mit jeder Faser

Der Entwicklungserfolg motiviert die Wissenschaftler wie auch die Branchenexperten von ARBURG dazu, den technologischen Ansatz noch weiter auszubauen. „Unser nächstes Ziel wird etwa sein, den entwickelten Fertigungsansatz für additiv verarbeitbare Faserverbundwerkstoffe für weitere gängige Fasermaterialien, wie Kohlenstoff oder Aramid, zu adaptieren“, gibt der Maschinenbauer Jörg Dittus Ausblick in die weitere Projektarbeit. „Da die Nachfrage nach individualisierten Produkten zukünftig weiter zunehmen wird, bietet die additive Fertigung großes Potenzial. Davon können mittlerweile alle Branchen profitieren, angefangen vom Prototyping im Automotive- und Consumer-Bereich bis hin zur Einzelfertigung in der Medizintechnik“, sagt Prof. Fleischer.

Der Kunststoffexperte Neff zieht ein positives Fazit: „Die Arbeit am Institut ist wertvolle Vorarbeit für die nächsten Generationen der additiven Kunststoffverarbeitung. Wir fokussieren uns gerade auf den Bereich der Faserverbundwerkstoffe, sind jedoch offen für weitere zukunftsweisende Projekte im ARBURG Innovation Center gemeinsam mit dem KIT.“