3D-Druck mit faserverstärkten Kunststoffen

Um weitere Materialien für die additive Fertigung zu nutzen, wollen Forscher faserverstärkte thermoplastische Kunststoffe so optimieren, dass sie ideal für den 3D-Druck im industriellen Maßstab geeignet sind.

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Bei der additiven Fertigung (3D-Druck) kommen inzwischen viele Ausgangsmaterialien zum Einsatz: Metalle, Kunstharze, Kunststoffe, Keramiken, Carbonmaterialien. Der 3D-Druck mit Kunststoffen bietet beispielsweise durch das geringe Gewicht der entstehenden Produkte, sehr flexible Gestaltungsmöglichkeiten oder auch die Option, Sensoren in ein Bauteil zu integrieren. In einem deutsch-niederländischen Gemeinschaftsprojekt wollen jetzt Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) und des Brightlands Materials Center, eine Initiative der Provinz Limburg und der Forschungsorganisation TNO in den Niederlanden, die Vorteile der individuellen Fertigung mittels 3D-Druck und die attraktiven Eigenschaften faserverstärkter thermoplastischer Kunststoffe als Werkstoff zusammenführen.

Zunächst gelte es, den Herstellungsprozess beim 3D-Druck noch besser zu verstehen, beispielsweise die Frage, wie die Verstärkungsfasern dabei in die Matrix eingebettet werden und wie sich das auf die späteren Eigenschaften des Bauteils auswirke, etwa auf Steifigkeit oder Bruchfestigkeit. Darauf aufbauend möchten die Partner Ausgangsmaterialien und Technologien entwickeln, mit denen sich hoch belastbare und maßgeschneiderte Bauteile herstellen lassen.

Die bisherige Erfolgsgeschichte des 3D-Drucks zeigt, wie groß die Potenziale dieser Technologie sind. Viele Parameter lassen sich aber noch deutlich verbessern, etwa die Herstellungsgeschwindigkeit oder die mechanische Stabilität von Bauteilen. In der VDI Richtlinie 3405 werden die additiven Fertigungsverfahren beschrieben und geordnet. In der Springer-Literatur finden sich hierzu zahlreiche Hintergrundinformationen: Eine Einteilung der Verfahren, visualisiert in einer schematischen Übersicht, liefern Ralf Förster und Anna Förster in "Einführung in die Fertigungstechnik", Seite 36. Prüfverfahren und numerische Simulation von mechanischen Eigenschaften 3D-gedruckter thermoplastischer Kunststoffe erörtern zum Beispiel Rainer Franke, Daniela Schob und Matthias Ziegenhorn in "Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen" ab Seite 137.  

Zusammenarbeit auf Basis gemeinsamer Wirtschaftsstrukturen

"Die Kompetenzen des Brightlands Materials Centers zu Eigenschaften und Verarbeitung von Kunststoffen, vor allem im Hinblick auf verschiedene Methoden des 3D-Drucks, sind eine ausgezeichnete Ergänzung zu unserem Profil. Ich bin sicher, dass wir gemeinsam große Fortschritte in diesen Fragen erzielen können", sagt Ralf Schlimper, Leiter der Gruppe "Bewertung von Faserverbundsystemen" am Fraunhofer IMWS, der die Zusammenarbeit in Halle (Saale) koordiniert. "Wir sehen der Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IMWS mit großer Freude entgegen. Das Institut hat einen ausgezeichneten Ruf im Bereich thermoplastischer Verbundwerkstoffe einschließlich zerstörungsfreier Prüfmethoden für die Qualitätskontrolle. Der Zugriff auf dieses Know-how und die exzellente Ausstattung werden unsere eigenen Aktivitäten im Bereich des 3D-Drucks mit endlosfaserverstärkten Werkstoffen entscheidend voranbringen", sagt Marnix van Gurp, Managing Director des Brightlands Materials Center. Die Zusammenarbeit des Landes Sachsen-Anhalts und der Provinz Limburg geht zurück auf eine jahrelange intensive Kooperation der beiden Regionen. "Wir haben viele Gemeinsamkeiten, etwa eine starke Chemie- und Kunststoffindustrie, die hier wie dort prägend für den Standort ist, das Engagement für den Einsatz nachwachsender Rohstoffe in diesem Bereich und das Interesse, die Kooperation von Unternehmen und Forschungseinrichtungen zu verbessern", sagt Jürgen Ude, Staatssekretär im Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitalisierung Sachsen-Anhalt.