Blauer Kreis aus Kunststoff - innen Gitterstruktur.

Zusammensetzung und Bauteilgeometrie bestimmen die resultierenden Eigenschaften des Werkstoffs. Die Gitterstruktur verfügt über einen Gradienten im Strebendurchmesser und ist außen robuster und innen flexibler. (Bild: SKZ)

Mann mit Brille, Bart und dunklem Hemd.
Dr.-Ing. Michael Bosse ist Gruppenleiter Materialentwicklung am SKZ in Würzburg. (Bild: SKZ)

Der Ideenreichtum und die Begeisterung für generativ erzeugte Produkte und Bauteile aus Kunststoffen ist ungebrochen. Dies liegt maßgeblich an der durch die additiven Fertigungsverfahren eröffneten Möglichkeit, unseren Gedanken so schnell eine Form zu geben. Kaum eine andere Technologie vermag das. Von der Konzeptidee bis zur Serie ist die additive Fertigung das Mittel der Wahl für hoch innovative Anwendungen in vielfältigen Industriebereichen, wie Medizintechnik, Ersatzteilgeschäft oder Automobilbranche – um nur einige zu nennen. Zurecht fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung diese Schlüsseltechnologie verstärkt und verleiht insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen Auftrieb. Unterstützung finden diese auch am SKZ-eigenen „Center for Additive Production“ (CAP), welches sich in seinem zehnjährigen Bestehen eine hohe interdisziplinäre Expertise aufbauen konnte.

Materialvielfalt erweitern

Zum Ausloten der Materialeigenschaften für additiv gefertigte Bauteile wurden am CAP zahlreiche Ideen und Entwicklungen erfolgreich verwirklicht. Dazu zählen gedruckte Hart-Weich-Verbindungen, geklebte und geschweißte Elemente sowie die Analyse dauerhaft druckbeaufschlagter Systeme. Auch Handlungsempfehlungen zur Produktgestaltung (Konstruktion), zur Produktion und zu Nachbehandlungsverfahren konnten für viele Herstellungsmethoden abgeleitet werden. Digitalisierung und Simulation sind weiterhin die perfekten Symbionten der additiven Fertigungsverfahren.

Kleines liegendes Glasgefäß aus dem weißes Pulver fließt und eine Form daraus entsteht.
Ein lasergesintertes „Braingear“ und sein Ausgangsstoff. Das LS-Pulver muss eine ganze Bandbreite an Anforderungen erfüllen, um in der Verarbeitung und Anwendung zu überzeugen. (Bild: SKZ)

Funktionsadditive, bionische Konstruktionen und Gradienten inspirieren die Anwendungen.

Welche Herausforderungen sehen wir aktuell? Nach wie vor ist die Materialvielfalt für den Prozess des Laser-Sinterns (LS) stark eingeschränkt und mit über 80 % Marktanteil auf ungefüllte Polyamide fokussiert. Eine Additivierung gestaltet sich als schwierig: Additive können beispielsweise als Nukleierungsmittel fungieren und die Verarbeitung erschweren. Nichtsphärische Zuschlagstoffe können das Riesel- und Auftragsverhalten vermindern und hohe Füllgrade verursachen Sprödigkeit und verhindern einen Einsatz als schlag- zähe, feste Funktionsbauteile. Deshalb konnten bislang nur vereinzelt Funktionsadditive wie Glaskugeln und Carbonfasern dem LS zugänglich gemacht werden. Polymeradditive müssen für die LS-Fertigung ein besonderes Eigenschaftsprofil aufweisen, um den sinnvollen Einsatz zu gewährleisten. Im Bereich der Pulversysteme steht die Materialentwicklung somit vor einer spannenden Herausforderung. Neben der Modifikation der Materialien selbst lassen sich Funktionen oft auch durch eine 3D-Modellierung realisieren, da die Kunststoffe selten als Vollmaterial ihre Anwendung finden. So erlauben funktionelle Gradienten im Aufbau einer Gitterstruktur eine veränderliche Steifigkeit. Der geübte Konstrukteur begibt sich gerne in die Welt der Topologieoptimierung mittels „Generative Engineering“ und nutzt bionische Designs. Auch hier gibt es für die Forschung und Entwicklung einiges zu tun und die guten Ideen werden nicht lange auf sich warten lassen.

Quelle: SKZ

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