3D-gedruckte Materialstrukturen

Interaktionen der aufgespritzten Polymermatrix mit dem gedruckten LSAM-Halbzeug. (Bild: Anybrid)

Der großvolumige 3D-Druck auf Basis von Kunststoffgranulat ist gefragt. Das zeigt sich auch in den Anwendungen zur Realisierung technischer Komponenten. Die Produktionstechnologie dahinter wird als Large-Scale-Additive-Manufacturing (LSAM) bezeichnet. Die technologische Vielfalt dahinter ist groß: So gibt es unterschiedliche LSAM-Drucker, basierend auf Portalsystemen oder der Robotik. Bei Austragsmengen von 10 bis 30 kg/h verarbeiten diese marktübliche thermoplastische Kunststoffe. Die hohe Austragsmenge geht jedoch damit einher, dass die Detailgenauigkeit der Bauteile, wie man es etwa vom Spritzgießen her kennt, ihre Grenzen hat. Aktuell werden die Formteile dazu häufig im Fräsprozess nachbearbeitet, um etwa die charakteristische Oberfläche 3D gedruckter Strukturen zu glätten und passgenaue Funktionsflächen zu erzeugen.

Welche Versuche wurden bislang durchgeführt?

Strukturen werden auf 3D-gedruckte Bauteile gespritzt
Überspritzen der 3D gedruckten Strukturen (oben); Gegenüberstellung der 3D gedruckten und der kompaktierten Oberfläche (unten links); Aufgespritzte Rippenstruktur (unten rechts). (Bild: Anybrid)

Das mobile Spritzgießen „Robin“ von Anybrid bietet eine Alternative der prozessintegrierten oder nachgelagerten Funktionalisierung 3D-gedruckter Komponenten. Durch die Möglichkeit Robin an klassische Industrierobotik zu montieren, ist es möglich das System direkt in die LSAM-Fertigungszelle zu integrieren, um so Funktionalisierungen lokal auf die Bauteile aufzuspritzen.

In ersten Versuchen in Kooperation mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden konnte der Proof of Concept erfolgreich durchgeführt werden. Additiv gefertigte Platten wurden dazu nach einer kurzen Oberflächenerwärmung durch Aufbringen der Schließkraft lokal verdichtet und umgeformt. Auf diese Weise kann für den dann folgenden Überspritzvorgang die Abdichtung der Werkzeugkavität gewährleistet werden.

Die ersten Bauteile zeigen vielversprechende hinsichtlich eines Einsatzes des mobilen Spritzgießens für das Funktionalisieren von 3D-gedruckten Strukturen. Bei den Versuchen wurde unter anderem holzfasergefülltes PLA (LSAM) und glasfaserverstärktes PP (Spritzgießen) eingesetzt. Dabei zeigte sich, dass die Materialien untereinander gut interagieren und eine sehr gute Verbindungsfestigkeit ermöglicht wird, auch aufgrund der mechanischen Verankerung. Herausforderung ist es, die Kompaktierung der Oberfläche so einzustellen, dass es keine ungewünschten Austritte der Matrix aufgrund einer unzureichenden Abdichtung gibt. Dies muss in Abhängigkeit der Materialien und Auflösung des Drucks individuell kalibriert werden.

Was als nächstes erprobt werden soll

mobile Spritzgießmaschine an Roboterarm
Die mobile Spritzgießmaschine "Robin". (Bild: Anybrid)

In nächsten Schritten sollen weitere Materialkombinationen erprobt werden, auch mit dem Ziel sowohl Mono- als auch Multimaterialsysteme zu validieren. Besonderes Potenzial ergibt sich beim Einbringen von Fügeelementen wie etwa In- oder Onserts, um Montagepositionen direkt auf der gedruckten Struktur zu erzeugen. Auf diese Weise erhoffen sich Anybrid und das ILK eine deutliche Steigerung insbesondere hochtechnologischer Anwendungsszenarien für das LSAM-Verfahren.

„Die Freiheitsgrade bei der Gestaltung von LSAM-Bauteilen sind bereits hoch. Diese können durch die Kombination mit dem mobilen Spritzgießen nun noch einmal signifikant vervielfacht werden und deutlich über den bislang häufig vorgestellten Druck von Blumenvasen hinausgehen“, verdeutlicht Christian Vogel vom ILK das Potenzial. Mittelfristiges Ziel ist es, bereits etablierte LSAM-Anlagen und die Robin-Technologie zu verheiraten und in kombinierten Fertigungszellen zu erproben. „Wir gehen fest davon aus, dass großvolumige 3D-Druck Anlagen in der Zukunft standardmäßig mit unserem mobilen Spritzgießsystem ausgestattet sind“, wie Michael Stegelmann, einer der Geschäftsführer der Anybrid, vorausblickt.

Quelle: Anybrid

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