Additive Fertigungstechnologien

Additive Fertigung umfasst eine Vielzahl von Verfahren (AFV), bei denen Material schichtweise aufgetragen wird. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind. So können beispielsweise Leichtbaustrukturen in einem einzigen Arbeitsschritt gefertigt werden.
In diesem Projekt wird das Verfahren des Granulat-Direktdrucks eingesetzt, das der Gruppe der Materialextrusion zugeordnet ist. Dabei wird Kunststoffgranulat über eine Schnecke aufgeschmolzen und durch eine Düse extrudiert. Die abgelegten Bahnen und Schichten werden durch thermische Reaktion miteinander verbunden. Zur Erhöhung von Steifigkeit und Festigkeit können dem Material Füllstoffe wie Kurzfasern beigemischt werden. Während der Extrusion orientieren sich die Fasern in Bahnrichtung. Die Orientierung der Bahnen sowie die Haftbedingungen zwischen den Schichten führen zu einem anisotropen Bauteilverhalten. Dieses hängt stark vom gewählten Füllmuster sowie von der Bauteilorientierung (Ausrichtung des Bauteils im Druckprozess) ab. Für mechanisch belastbare 3D-gedruckte Bauteile müssen daher die Belastungsfälle – und damit die Hauptspannungsrichtungen – bereits bei der Planung von Füllmuster und Bauteilorientierung berücksichtigt werden.
Gängige Slicer-Programme bieten zwar eine Vielzahl von Füllmustern, jedoch keine lastpfadorientierte Bahnplanung. Ziel des Projekts PowerPrint ist daher die Entwicklung einer innovativen lastpfadorientierten Slicing-Strategie für den Granulat-Direktdruck.
Der Granulat-Direktdruck bietet mehrere Vorteile: Die eingesetzten Materialien sind kostengünstig, breit verfügbar und weisen gleichbleibende Eigenschaften auf. Da Granulat die Vorstufe zur Filamentherstellung darstellt, ist es zudem thermisch weniger belastet. Weiterhin lassen sich Materialien mit sehr hohen Fasergehalten oder mit Füllstoffen wie Metall- oder Keramikpartikeln verarbeiten – Werkstoffe, die sich aufgrund der hohen Anforderungen an Flexibilität und Bruchsicherheit kaum oder gar nicht als Filament herstellen lassen.
Ein weiteres Projektziel ist die Umsetzung des Granulat-Direktdrucks mit lastpfadorientierter Bahnplanung auf einem Schrägbanddrucker („endloser 3D-Druck“). Dies eröffnet die Möglichkeit, in Zukunft Kleinserien mechanisch belastbarer Bauteile wirtschaftlich und effizient zu fertigen.

Bearbeiter: Dipl.-Ing Philip Töllner

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE)

Projektlaufzeit: 08/2025 – 11/2027

Projektpartner: CAMAIX GmbH

In enger Zusammenarbeit mit dem 3D-Druckerhersteller newAIM3D GmbH, Rostock, wird ein neues und bereits patentiertes Verfahren namens "Voxelfill" für den Granulat-3D-Druckprozess etabliert, um die Bauteilqualität insbesondere hinsichtlich der Stabilität in Aufbaurichtung zu verbessern.

Extrusionsbasierte additive Fertigungsverfahren sind eine der ersten und beliebtesten Formen des 3D-Drucks. Seit den 1980er Jahren bekannt unter dem Begriff Fused Deposition Modeling (FDM), was mit Strangablageverfahren übersetzt werden kann, sind seitdem hunderte von 3D-Druck-Anlagen auf den Markt gekommen.
Mit sehr wenigen Ausnahmen tragen FDM-Drucker thermoplastisches Material in einem bestimmten Muster auf einer zweidimensionalen Ebene ab, die parallel zum Druckbett verläuft und üblicherweise als x-y-Ebene bezeichnet wird. Dreidimensionale Formen "erwachsen” dann entlang der Aufbaurichtung (z-Achse) durch Aufeinanderschichten einer Reihe von zweidimensionalen Mustern.
Aufgrund dieser Schichtbauweise besitzen additive gefertigte Bauteile einen anisotropen Charakter. Dies bedeutet, dass die mechanischen Eigenschaften der Bauteile eine starke Richtungsabhängigkeit aufweisen - die Festigkeit innerhalb einer Schicht ist in aller Regel höher als die Haftung zwischen den einzelnen Schichten. FDM-Objekte werden aufgrund des hohen Filamentverbrauchs und Zeitaufwands nur selten als Volumenkörper gedruckt. Gedruckte Hohlkörper – also nur mit Außenhülle - sind für die meisten Anwendungen aber ebenso wenig geeignet, da diese nicht robust sind und bei Belastung zu Bruch gehen. Der sogenannte Infill stellt einen Mittelweg zwischen Volumen- und Hohlkörper dar. Bei dieser Füllung handelt es sich um eine sich wiederholende Struktur im Objektinneren, die genutzt wird, um das 3D-Objekt auszufüllen.
Die von NEW AIM3D konzipierte Hybridlösung sieht die Kombination von einem Strangablageverfahren mit einem Spritzgussverfahren vor, welches durch einen schichtübergreifenden Ansatz die Anisotropie erheblich verringern soll. Unter dem Markennamen Voxelfill sollen bei diesem Ansatz Bauteile nicht mehr ausschließlich schichtweise, sondern durch Einsatz von sogenannten Voxeln (volumetrische Pixel) als Volumenbereiche schichtübergreifend spritzgegossen werden. Bei diesem neu konzipierten Verfahren wird im ersten Arbeitsschritt der Infill durch ein Muster aus definierten Kapselstrukturen ersetzt. Diese definieren die Grenzen der schichtübergreifenden Volumenelemente, welche im zweiten Arbeitsschritt spritzgegossen werden sollen. Die Anordnung der schichtübergreifenden Voxel ist bei dieser 3D-Druckstrategie von entscheidender Bedeutung. Bei der Füllung der Volumenbereiche dürfen nicht alle Voxel in einer Ebene spritzgegossen werden, denn dies hätte erneut eine Schwachstelle in Z-Richtung an der „Naht“ der Voxel-Ebene zur Folge. Durch Versetzen der Volumenelemente in halber Höhe der Voxel wird eine Art „Ziegelverbund“ im Bauteil erzeugt. Der Kraftfluss im Bauteil wird umgelenkt und dadurch die Festigkeit gesteigert. Neben der starken Festigkeitserhöhung verbessert sich ebenso die Elastizität der Bauteile in Z-Richtung. Nebenbei steigert Voxelfill als hybrides Spritzguss-Strangablageverfahren die Wirtschaftlichkeit für klassisch vollgefüllte Bauteile enorm. Die benötigte Druckzeit für ein vollgefülltes Bauteil ist mit Volumenelementen des Voxelfill-Verfahrens wesentlich geringer als mit einem reinen Strangablageverfahren bei gleichzeitig höherer Festigkeit.

Der Schwerpunkt des Lehrstuhls für Mikrofluidik der Universität Rostock liegt in den verfahrenstechnischen und parametrischen Grundlagenuntersuchungen. Dabei werden verschiedene Materialien auf ihre Verarbeitbarkeit mit dem Voxelfill-Verfahren untersucht. Für eine parallel durchgeführte Modellierung und Simulation des Voxelfill-Prozesses werden geeignete Materialien detailliert analysiert. Mittels Dichteuntersuchungen und mechanischer Charakterisierung der Bauteile werden optimierte Parameterkonfigurationen erarbeitet, um einen möglichst stabilen Prozess sowie eine maximale mechanische Stabilität zu erreichen

Ansprechpartner: Alexander Ahrend M.Sc, Tim Dreier M.Sc, Muhammad Asad Yamin, M.Sc 

Projektlaufzeit: 05/2024-05/2026

Kooperationspartner: NEW AIM3D GmbH, Rostock

Das Ziel dieses Projekts ist ein automatisches System zur Modifizierung von porösen Grün-, Braun- und Endbauteilen mittels PECVD entwickelt werden, welches bei der zerstörungsfreien, fertigungsintegrierten Dichtemessung nach dem archimedischen Prinzip zum Einsatz kommt. Mittels PECVD wird dabei eine Funktionsbeschichtung im Nanometerbereich berührungslos auf Bauteile aufgetragen. Diese Funktionsschicht wird anschließend mehrere Funktionen haben. Einerseits kann sie eine Barriere gegen das Eindringen von Flüssigkeiten in poröse Formkörper darstellen und andererseits über eine einstellbare Oberflächenenergie eine definierte Oberfläche erzeugen, die gut benetzbar ist und so die gravimetrische Messung verbessert.

Der Lehrstuhl für Mikrofluidik auf die Entwicklung, additive Fertigung und Charakterisierung poröser PECVD-beschichteter Bauteile für die zerstörungsfreie Dichtemessung konzentrieren. Die PECVD-Beschichtung der Bauteile wird vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP) durchgeführt, welcher ein Projektpartner in diesem Verbundprojekt ist. Die Überführung der wissenschaftlichen Erkenntnisse in ein industrielles, automatisiertes System sowie die Integration in ein gravimetrisches Dichtemessverfahren erfolgt durch den zweiten Projektpartner Dimensionics GmbH.

Die Automatisierung der Beschichtung verschiedener additiver und poröser Bauteile (Grün-, Braun-, Endbauteile) wird stellt neue Möglichkeiten für eine schnellere Untersuchung der Bauteilproben durch eine gravimetrische Messung dar mit zugleich höherer Messgenauigkeit und geringer Fehleranfälligkeit infolge geringerer Messwertverfälschung. Dies ist grundlegend für den vorgesehenen Einsatz des validierten Beschichtungsverfahrens und des erprobten Demonstrators in industriellen Fertigungsanlagen zur gravimetrischen Dichtebestimmung auch von relativ porösen Grün- und Braunteilen. Ein derart autonomes und genaues Gesamtsystem aus Bauteilbeschichtung und gravimetrischer Dichtemessung als eigenständige Lösung innerhalb industrieller Produktionslinien.

Bearbeiter:

Dr. rer. nat. Abdullah Riaz

Projektlaufzeit:

04/2024 – 12/2025

Gefördert:

Ministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Tourismus und Arbeit M-V, Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2021 bis 2027 (EFRE-OP M-V).

Verbundpartner:

Dimensionics GmbH

Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)

Das Composite Extrusion Modelling (CEM) ist ein additives Ferigungsverfahren unter Verwendung von Feedsstocks aus Kunststoffbinder und Metallpulver, die aus dem Metallspritzguss (MIM) bekannt sind. Mit diesem Verfahren können nach den notwendigen Entbinder- und Sinterprozessen schnell komplexe metallische Bauteile hergestellt werden.

Ziel des Kooperationsprojektes ist es, eine neue Prozesskette zur kostengünstigen und schnellen Fertigung von Spritzgußwerkzeugen zu entwickeln. Bisher werden Zeiträume von bis zu acht Wochen benötigt, um ein Spritzgußwerkzeug zu fertigen. Mit der Entwicklung dieses Projektes soll die Bereitstellungszeit auf etwa fünf Tage reduziert werden.

Dazu soll der Ansatz verfolgt werden, über das CEM-Verfahren die Werkzeugformen herzustellen. Dieses Verfahren als noch relative jungen Methode zur Herstellung von additiv gefertigten Bauteilen bietet das Potenzial, durch hohe Aufbauraten gleichwertige Werkzeuge wesentlich schneller herzustellen zu können als im konventionellen Werkzeugbau. Mit dem Verfahren können dann sowohl die Material- als auch die Maschinenkosten gesenkt und gleichzeitig die Probleme der additiven Fertigung bezüglich Eigenspannungen und Materialanpassungen an den einzelnen Maschinen umgangen werden. Werkzeuge können auf diese innovative Weise 4- bis 8-mal schneller und gleichzeitig kostengünstiger hergestellt werden.

Bearbeiter:Dr. rer. nat. Abdullah Riaz

Projektlaufzeit: 04/2021 – 10/2023

Gefördert: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Kooperationspartner: Stenzel MIM Technik GmbH

Im Rahmen des Verbundvorhabens wird in enger Zusammenarbeit mit dem Unternehmen AIM3D GmbH ein Highspeed-Großraumdrucker zur Verarbeitung von Keramik-Feedstocks im CEM-Verfahren entwickelt.

Es soll ein additiver Fertigungsprozess entwickelt werden, der es industriellen Anwendern erstmals ermöglicht, einige große bzw. viele kleine keramische Bauteile parallel herzustellen. Im

Gegensatz zur konventionellen Fertigung können somit bereits die Kosten bei kleinen

Stückzahlen drastisch gesenkt werden. Darüber hinaus ermöglicht der additive Herstellungsprozess Formgebungen, die bisher gar nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar waren, wie z.B. Hohlräume oder spezielle Infill-Strukturen zur Gewichtsreduzierung.

Das Verbundvorhaben lässt sich in drei Aufgabenpakete untergliedern:

• Feedstockentwicklung, -herstellung und -erprobung
• CEM-3D-Druckparameterentwicklung und Bauteilfertigung
• Umsetzung eines intelligenten Druckkopfes

Im Rahmen der Druckparameterentwicklung werden kommerzielle CIM-Feedstocks am Markt auf deren Verarbeitbarkeit untersucht. Neben der Analyse der gedruckten Bauteile wird das Entbinderungs- sowie das Sinterverhalten der unterschiedlichen Materialien untersucht. Des Weiteren wird neben der Verwendung von konventionellen CIM-Feedstocks am Lehrstuhl ein eigener keramischer Feedstock entwickelt und mit verschiedenen mechanischen Prüfverfahren getestet.

Ziel dieser Untersuchungen ist ein stabiler Druckprozess von praxistauglichen Bauteilen mit geforderten geometrischen und mechanischen Eigenschaften. Zudem erfolgen theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Weiterentwicklung eines Druckkopfes für das CEM-Verfahren.  

Bearbeiter:Tim Dreier M.Sc.

Projektlaufzeit: 10/2019 - 02/2023

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Gesundheit (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2014 bis 2020 (EFRE-OP M-V)

Verbundpartner: AIM3D GmbH

Das Composite Extrusion Modeling (CEM) ist ein additives Fertigungsverfahren unter Verwendung von granularen, aus dem Pulverspritzgießen bekannten Ausgangsmaterialien. Durch angeschlossene Entbinder- und Sinterprozesse können so metallische und keramische Bauteile additiv gefertigt werden

Im Rahmen des Projektes sollen für das CEM-Verfahren optimierte Feedstocks auf Basis eines Polyamid-Bindersystems entwickelt werden. Ziel ist die erstmalige Fertigung von Reinkupfer- und Kaltarbeitsstahlbauteilen mit einem additiven Fertigungsverfahren. Durch Modellbildung, die die Zusammenhänge zwischen den beeinflussbaren Prozess- und Werkstoffparametern und deren Einfluss auf das Endprodukt beschreibt, soll eine systematische Entwicklung eines Gesamtverfahrens realisiert werden.

Mit der Entwicklung einer keramischen, nach dem Sinterprozess in Pulverform vorliegenden Trennschicht wird das Ziel verfolgt, das bei vielen 3D-Druck-Verfahren notwendige manuelle bzw. spanende Abtrennen der Stützstrukturen zu vermeiden.

Bearbeiter: Erik Sebastian Schmidt M.Sc.

Projektlaufzeit: 02/2019 - 11/2022

Gefördert: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Kooperationspartner: MiMtechnik GmbH, Schmalkalden

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines additiven Fertigungsverfahrens (3D-Druckverfahren) zur Herstellung von metallischen Bauteilen (Composit Extrusion Modeling). Zunächst werden mittels eines kostengünstigen Extrusionsprozesses - ähnlich dem Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren - additiv Grünteile aus einem metallischen Kompositmaterial gefertigt. Die Teile werden im Anschluss aus dem 3D-Drucker entnommen und in einem Sinterofen gesintert. Auf diese Weise entsteht ein fester metallischer Materialverbund. Da sich weder herkömmliche FDM-Geräte noch die bekannten Kompositmaterialien für einen derartigen Prozess eigenen, wird in Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner sowohl ein Extrusionssystem bestehend aus Druckkopf und Materialzufuhr als auch ein geeignetes Kompositmaterial entwickelt.

Bearbeiter: Clemens Lieberwirth M.Sc.

Laufzeit: 03/2015 - 31.08.2017

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Koorperation: Bernhardt Kunststoffverarbeitung GmbH 3dk.berlin