Additive Fertigungsverfahren
Zusammen mit weiteren Lehrstühlen der Fakultät Maschinenbau ist die Kunststofftechnik Paderborn ein fester Bestandteil des Direct Manufacturing Research Centers (DMRC). Das DMRC beschäftigt sich mit Additiven Fertigungsverfahren, die für das Herstellen von Bauteilen, dem sogenannten Direct Manufacturing eingesetzt werden und eine bedeutende Zukunftstechnologie darstellen. Diese neue Art der Fertigung verspricht deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren, wie reduzierte Produktions- und Prozesskosten, kürzere Durchlaufzeiten, komplexere Bauteilgeometrien oder die nachfrageorientierte Produktion von Bau- und Ersatzteilen. Das Ziel des DMRC ist es, die Additiven Fertigungsverfahren und die so gefertigten Bauteile bis zur Serienreife weiter zu entwickeln.
Additive Fertigungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die Bauteile durch i.d.R. schichtweises Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen hergestellt werden. Das virtuelle Bauteil, das als 3D-CAD-Datensatz vorliegen muss, wird erst in gleich dicke Schichten zerlegt und dann schichtweise in ein physisches Bauteil umgesetzt. Die Herstellung von Bauteilen kann mit verschiedenen physikalischen Prinzipien realisiert werden. Die Grundlagen jedes Verfahrens sind jedoch identisch. Am DMRC wird an folgenden Verfahren geforscht:
- Selective Laser Melting (SLM)
- Laser-Sintern (LS)
- Fused Deposition Modeling (FDM)
Forschungsschwerpunkte liegen hierbei auf der Prozessoptimierung der Verfahren sowie auf verfahrensübergreifenden Themengebieten wie Konstruktionsrichtlinien, Kosten oder strategische Gesichtspunkte für Additive Fertigungsverfahren.
Im Bereich der additiven Fertigung (AM) gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher und am Markt verfügbarer Technologien. Nach ISO 52900 lassen sich allein die kunststoffbasierten AM Technologien in sieben Prozesskategorien einteilen, welche jeweils wiederum eine größere Anzahl an Technologien umfassen. Die Prozesse unterscheiden sich dabei zum Teil erheblich in den Verfestigungsmechanismen, den Ausgangsmaterialien und der Prozesskette. Diese großen Unterschiede erschweren einen umfassenden, fairen Technologievergleich. Wenn ein geeignetes Verfahren für eine Anwendung gesucht wird, so sind für eine optimale Auswahl detaillierte Kenntnisse aller Verfahren erforderlich. Für Laien ist eine Technologieauswahl ohne Hilfsmittel daher schwer durchzuführen und auch AM-Experten besitzen häufig nicht zu allen vorhandenen Verfahren detaillierte Kenntnisse. An dieser Stelle setzt dieses Projekt an.
Das DMRC verfügt über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet des Fused Deposition Modeling (FDM), des Lasersinterns (LS) und des Arburg Plastic Freeforming (APF). Dies soll im Projekt genutzt werden, um einen umfassenden Vergleich von ausgewählten kunststoffbasierten AM-Technologien durchzuführen.
Das Ziel dieses Projektes ist, einen Überblick über die Technologien zu geben und die Technologieauswahl mit einem Tool zu unterstützen. Das Screening konzentriert sich auf die Technologien FDM, LS, APF und Digital Light Processing (DLP). Dies sind die derzeitig vorhandenen kunststoffbasierten AM-Prozesse am DMRC. Außerdem wird das Projekt mithilfe der Expertise der DMRC Partner um die Multi Jet Fusion (MJF) Technologie erweitert.
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Ein vergleichsweise neuer Ansatz zur Herstellung von Metallbauteilen ist die Verwendung des Fused Deposition Modeling (FDM)-Verfahrens, bei welchem ein mit Metallpulver gefülltes Kunststofffilament zum Einsatz kommt. Die Bauteile werden dabei zunächst im FDM Prozess generiert. Hierbei wird das Filament eingezogen, aufgeschmolzen und anschließend in einer definierten Stranggeometrie schichtweise aufgetragen. Die nachfolgenden Prozessschritte entsprechen der Nachbehandlung von im Metal Injection Molding (MIM)-Verfahren gefertigten Bauteilen. Dabei wird in einem ersten Schritt der in den Bauteilen (Grünteile) enthaltende Kunststoffbinder (Braunteile) entfernt. Anschließend werden die verbleibenden Metallpartikeln in einem Ofen gesintert, sodass rein metallisches Bauteile (Fertigteile) entstehen.
Das Ziel des Projektes „Fused Deposition Modeling mit metallpulvergefüllten Kunststofffilamenten 2021“ ist es, die Verarbeitung eines auf das Baumaterial Ultrafuse 316L abgestimmten Stützmaterials zu untersuchen. Dazu sollen insbesondere die Strangablage und Interaktion zwischen Bau- und Stützmaterial betrachtet werden, um einen zuverlässigen Prozess sicherzustellen. Das verwendete Stützmaterial zielt dabei auf eine Stabilisierung der Bauteilgeometrie über die gesamte Prozesskette ab und soll dadurch die Herstellung komplexerer Geometrien ermöglichen.
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Sowohl für den Konstruktionsprozess als auch für die Dimensionierung eines additiv gefertigten Bauteils ist es wichtig, die zugrundeliegenden Prozessgrenzen und idealerweise die Konstruktionsrichtlinien zu kennen. Um Anwender von Additiven Fertigungstechnologien im Konstruktionsprozess zu unterstützen, wurden am DMRC in den vergangenen Jahren eine Reihe von Forschungsaktivitäten durchgeführt. Beim FDM standen hierbei zunächst Materialien wie ABS-M30 und Ultem 9085 im Mittelpunkt der Untersuchungen. Die laufenden Entwicklungen im Bereich der Additiven Fertigung führen jedoch auch zu einer Erweiterung der verfügbaren Materialien und Maschinen. So steigt auch die Nachfrage nach Materialien mit spezifischen Eigenschaften stetig an. Einer dieser Werkstoffe sind Thermoplastische Polyurethane (TPU). Zur Fertigung von technischen Komponenten aus diesem Material müssen der FDM Prozess beherrscht, sowie die Limitationen der Verarbeitung bekannt sein.
Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Analyse der Prozessgrenzen bei der Verarbeitung von einem ausgewählten TPU sowie die gleichzeitige Optimierung der Prozessparameter zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit. Als Material wird dabei Ultrafuse TPU 85A betrachtet, welches für den FDM Prozess bereits eine sehr geringe Härte aufweist. Die Auswahl erfolgt vor dem Hintergrund, dass weiche Materialien im FDM tendenziell kritischer zu verarbeiten sind. Die Materialauswahl ermöglicht somit die Übertragung der Forschungsergebnisse auf weitere, härtere TPU Materialien.
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Der vorherrschende Trend zu einer steigenden Variantenvielfalt und gleichzeitig kürzer werdenden Produktlebenszyklen stellt die Produktentwicklung vor die Herausforderung, immer schneller und kostengünstiger eine steigende Anzahl an Produktvarianten entwickeln zu müssen. Eine Möglichkeit diesen sich stetig ändernden Marktanforderungen gerecht zu werden ist das Rapid Tooling. Dieses beschreibt den Werkzeug- und Formenbau unter der Nutzung von additiven Fertigungsverfahren. Einsatzgebiete sind vor allem im Spritzgieß- und Tiefziehformenbau zu finden. Vorteile für den Spritzgießformenbau ergeben sich unter anderem durch die geringen Entwicklungs- und Produktionskosten von additiv gefertigten Formeinsätzen.
Aufgrund vorliegender Nachteile bei der Nutzung von additiv gefertigten Formeinsätzen aus Kunststoff ist das Ziel des Projektes die Entwicklung von hochwärmeleitfähigen Kunststoffcompounds zur Herstellung und Verwendung von im Fused Deposition Modeling (FDM) gefertigten Spritzgusswerkzeugeinsätzen für Kleinserienproduktionen. Dabei liegt der Forschungsschwerpunkt der Kunststofftechnik Paderborn auf der Entwicklung eines Modells zur Simulation der Wärmeübertragung in additiv gefertigten Werkzeugen, der experimentellen Überprüfung des Prozessverhaltens des thermisch leitfähigen Materials im FDM, sowie der Entwicklung eines prototypischen Spritzgießwerkzeugs zur Überprüfung der definierten Leistungsparameter des Filaments.
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Das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren ist eines der am weitesten verbreiteten additiven Fertigungsverfahren. Wie auch bei anderen additiven Fertigungsverfahren werden im FDM Bauteile schichtweise erzeugt. Dies bietet den Vorteil einer großen gestalterischen Freiheit, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar ist. Zudem erfolgt die Fertigung der Bauteile direkt aus einer aufbereiteten CAD- Datei. Die Schichterzeugung im FDM erfolgt durch die Ablage eines plastifizierten thermoplastischen Kunststoffstranges. Hierfür wird das Ausgangsmaterial, ein Filament, durch eine im FDM-Kopf befindliche, beheizte Düse geführt und aufgeschmolzen. Für die definierte Ablage des aufgeschmolzenen Materials wird die Düse in der X-Y-Ebene verfahren. Überhänge werden mit einem Stützmaterial, welches mit einer weiteren Düse verarbeitet wird, abgestützt. Nach der Fertigstellung einer Schicht wird die Bauplattform relativ zur Düse um eine Schichtdicke in Z-Richtung abgesenkt und der Ablageprozess beginnt erneut.
Die Fertigung von Bauteilen im FDM findet in der Regel in einem beheizten Bauraum statt. Die Bauraumtemperatur liegt dabei weit unter der Schmelztemperatur des jeweiligen zu verarbeitenden Materials, um die Stabilität der bereits abgelegten Bauteilbereiche zu gewährleisten. Bedingt hierdurch kühlen die abgelegten Kunststoffstränge schon kurz nach ihrer Ablage ab und schwinden. Somit schwindet jeder Bauteilbereich für sich. Durch die resultierende inhomogene Schwindung können Eigenspannungen im Bauteil entstehen, die wiederum zu Verzug und damit zu geometrischen Abweichungen führen. Die Schwindung wird aktuell im Vorfeld der Fertigung in der Datenaufbereitung durch eine lineare Skalierung des Bauteils entlang der drei Raumrichtungen kompensiert. Vorangegangene Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies keine allgemeingültige Lösung darstellt. Daher sollen in diesem Projekt weiterführende Ansätze zur Schwindungskompensation untersucht werden.
Zunächst wird in diesem Projekt die Möglichkeit geprüft, ein Bauteil aus Elementarzellen zusammenzusetzen. Dabei werden die Skalierungsfaktoren für einzelne Elementarzellen bestimmt und anschließend auf das gesamte Bauteil angewendet. Zudem wird die FEM-Simulation des Fertigungsprozesses von Bauteilen mit einer geeigneten Software beleuchtet. Begleitend werden Untersuchungen zur Ermittlung von Randbedingungen wie z. B. der Materialaustrittstemperatur aus der Düse durchgeführt.
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Das Projekt ist Bestandteil des Förderprogramms Clean Sky 2 und erfolgt in Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsinstituten und der Fa. Airbus. Clean Sky 2 ist eine gemeinsame Verpflichtung zwischen der Europäischen Kommission und der europäischen Luftfahrtindustrie (eine öffentlich-private Partnerschaft) zur Erreichung von definierten Umweltzielen. Umweltziele sind zum Beispiel die Reduzierung der CO2-, Gas- und Lärmemissionen von Flugzeugen. Innerhalb dieses Projekts soll die Entwicklung eines neuartigen Leading-Edge-Konzeptes auf der Grundlage fortschrittlicher Fertigungs- und Integrationstechniken vorangetrieben werden.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen Fertigungstechnologie für großformatige Komponenten, welche in der Primärstruktur von Flugzeugen verbaut werden können. Zur Erreichung dieses Ziels wird der Fokus auf die folgenden drei Schwerpunkte gesetzt: Die automatisierte Faserplatzierung mit thermoplastischen Kunststoffen, die Verwendung des FDM Verfahrens mit kurzfaserverstärkten Thermoplasten und die Entwicklung einer neuen Methodik zum Fügen von Bauteilen auf der Basis von nietfreien Anwendungen. Das Projekt gliedert sich in mehrere Arbeitspakete:
Die Universität, vertreten durch die Kunststofftechnik Paderborn (KTP), beschäftigt sich mit der additiven Fertigung von Rippenstrukturen. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung und Optimierung des Fused Deposition Modeling (FDM)-Prozesses für kurzfaserverstärkte Thermoplaste. Innerhalb des Projektes wird ein kohlenstofffaserverstärktes Polyetheretherketon (PEEK) untersucht und der Verarbeitungsprozess optimiert. Ziel ist es, dass eine gute Verarbeitbarkeit und zufriedenstellende Qualität der resultierenden Teile erreicht wird. Zur Verbesserung der Bauteilqualität ist ein Vorgehen entwickelt worden, um den Materialaustrag aus der FDM-Düse während des Fertigungsprozesses zu optimieren. Das Konzept berücksichtigt verschiedene Einflüsse auf den Materialaustrag aus der FDM-Düse, mit dem Ziel eine möglichst gleichmäßige Stranggeometrie während des Fertigungsprozesses zu generieren. Mit der Hilfe von verschiedenen in diesem Konzept erarbeiteten Methoden kann nun der Materialaustrag in Abhängigkeit des Beschleunigungsprofils angepasst werden.
Genauer Informationen zu diesem Projekt finden Sie hier: Projektbericht
