So wird aus einem holzfasergefüllten Biopolymer ein 3D-gedrucktes Möbelstück

Die Additive Fertigung (AF) verzeichnet bereits seit vielen Jahren ein ununterbrochenes Branchenwachstum [Woh22]. Dies ist durch die vielen Vorteile der Technologie begründet, wie beispielsweise eine werkzeuglose, schichtbasierte Bauteilfertigung. Somit können nahezu beliebige Geometrien mit hoher Komplexität und internen Strukturen und Funktionen ohne Rüstvorgänge gefertigt werden [GRS10]. Ursprünglich als Rapid Prototyping bekannt, war der größte Anwendungsfall der Technologie lange Zeit das Herstellen von Prototypen. Einem Ausbruch aus diesem Feld standen lange Zeit die Einschränkungen der AF wie hohe Fertigungszeiten und beschränkte Bauräume entgegen. Um die Vorteile des Verfahrens auch für die Fertigung von Endbauteilen zu nutzen, forscht das Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk (IKV) seit 2015 an der Skalierung der AF und konzentriert sich hierbei auf die materialextrudierenden Verfahren (MEX). Die Ziele umfassen hierbei das Fertigen großvolumiger Bauteile bei gleichzeitiger Reduktion der Fertigungszeit. Weiterhin soll durch das Verarbeiten von Standard-Granulat die Werkstoffvielfalt in der AF erhöht werden. Gemeinsam ermöglichen diese Aspekte eine deutliche Reduzierung der Fertigungskosten [HL16].

Um diese Ziele zu erreichen, wurde im Jahr 2015 ein Schneckenextruder entwickelt und erstmalig mit einem Gelenkarmroboter kombiniert. Mit dieser Anlage konnte die Fertigungsgeschwindigkeit im Vergleich zu konventionellen Fused-Layer-Modeling-Anlagen (FLM) um den Faktor 20 gesteigert werden [HP19]. Gleichzeitig wurde das Materialspektrum der AF deutlich erweitert. Neben üblichen Werkstoffen wie Polylactid (PLA) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) können mit dieser Anlage auch Polyamid (PA), Polypropylen (PP) oder Thermoplastische Elastomere (TPE) mit geringer Shore-Härte verarbeitet werden. Auch hochgefüllte Polymere mit beispielsweise 30 Gew.-% Kohlenstofffaseranteil oder 50 Gew.-% Langglasfasern können verarbeitet werden. Die Technologie ermöglichte erstmals das Umsetzen von Projekten, die mit konventioneller AF nicht möglich sind. So wurde die Karosserie eines innovativen Human-Hybrid-Fahrzeugs in wenigen Fertigungstagen aus recyceltem Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA) hergestellt. In einem weiteren Projekt wurde die Anlage in eine Fertigungsstraße für das Herstellen von Einplatinencomputergehäusen integriert. Hier wurde das Gehäuse im Spritzgießverfahren vorgefertigt und anschließend mittels AF mit einer Antirutschlippe aus TPE versehen. Die AF gliederte sich hierbei in den Takt der Spritzgießmaschine ein [WHR+19].

Während die eingangs erwähnte Schichtbauweise in der AF zwar viele Vorteile bietet, ist sie gleichzeitig für die verbleibenden Nachteile der Technologie verantwortlich. Zwar wird der Begriff „3D-Druck“ häufig synonym für AF-Verfahren verwendet, tatsächlich handelt es sich jedoch immer um 2,5-D-Verfahren, da wiederholt ebene Schichten gefertigt werden. Der hierdurch entstehende Treppenstufeneffekt reduziert die Oberflächenqualität der Bauteile deutlich. Weiterhin weisen die Bauteile stark anisotrope mechanische Eigenschaften auf, bedingt durch die Haftung der Schichten untereinander. Um diese Nachteile zu adressieren und tatsächlich dreidimensional zu drucken, wurde am IKV das Advanced Dimension Additive Manufacturing (Adam) entwickelt. Hierbei handelt es sich um eine Softwarelösung zur optimalen Berechnung der Bahnen für die materialextrudierende AF. Die zu fertigenden Schichten werden nicht, wie bisher üblich, in parallelen Ebenen geplant. Stattdessen können Stränge dreidimensional frei im Raum verlaufen. Die Software stellt hierbei die kollisionsfreie Fertigbarkeit sicher. Da die Bahnen den Freiformflächen des Bauteils somit exakt folgen können, wird erstmals die Fertigung hochwertiger Oberflächen ohne Treppenstufen mittels Mex-Verfahren ermöglicht. Weiterhin können die positiven mechanischen Eigenschaften in Strangrichtung optimal genutzt werden, indem die Stränge gezielt entlang der Lastpfade ausgerichtet werden. Letzterer Effekt ist besonders bei der Verarbeitung fasergefüllter Kunststoffe relevant. Da sich die Fasern vorzugsweise in Ablagerichtung orientieren, können die lokalen Bauteileigenschaften durch das Bahnen und Adam-Verfahren gezielt beeinflusst und optimiert werden. Die Software ermöglicht die Bahnplanung für alle gängigen Mex-Systeme. So bietet sie bereits für kosteneffiziente FLM-Anlagen die Möglichkeit, die Qualität der Bauteile deutlich zu steigern. Darüber hinaus lässt sich die Bauteilqualität durch das Nutzen von Fünf- oder Sechs-Achs-Systemen, etwa Industrierobotern, weiter steigern. Bei diesen Anlagen können die zusätzlichen Kippachsen genutzt werden, um den Extruder jederzeit senkrecht zur abgelegten Bahn anzustellen. Dies erhöht die Freiheitsgrade bei der Bauteilgestaltung sowie bei der Ausnutzung der Vorteile des Adam-Verfahrens.

Auf der K-Messe 2022 präsentierte das IKV die jüngste Entwicklungsstufe der Technologie, bestehend aus Anlage und Software. Um alle Vorteile der Adam-Technologie auszunutzen, wurde eine vollintegrierte Fertigungszelle entwickelt. Das Herzstück der Anlage stellt die dritte Version des Schneckenextruders dar. Hier wurde besonderer Wert auf einen hohen Materialaustrag sowie hohe Dynamik im Austragsverhalten bei geringem Ex-trudergewicht gelegt. Da Schneckenextruder üblicherweise für den stationären Betrieb ausgelegt sind, weisen sie häufig eine hohe Trägheit in Bezug auf das Austragsverhalten auf. In der Additiven Fertigung muss der Schmelzefluss jedoch regelmäßig variiert oder gar komplett gestoppt werden. Bei hoher Trägheit des Austragsverhaltens kann so nicht die richtige Menge Material an der richtigen Stelle abgelegt werden und die Bauteilqualität leidet. Die Trägheit stellte also bisher ein großes Hindernis bei der Verwendung von Schneckenextrudern für die AF dar. Durch das spezielle Abstimmen von Schnecke, Einzugszone, Zylinder und Schneckenantrieb erreicht die neuste Version des AF-Schneckenextruders eine hohe Dynamik bezüglich des Schmelzeflusses und ermöglicht den sofortigen Stopp des Materialaustrags, wenn dieser durch den Maschinencode vorgegeben wird. Mit einem Masseaustrag von 4 kg pro Stunde können große Bauteile in noch kürzerer Zeit gefertigt werden. Als Kinematik kommt ein Gelenkarmroboter von Stäubli International, Pfäffikon, Schweiz, zum Einsatz. Der Roboter ermöglicht den großen Bauraum der Anlage und weist eine hohe Bewegungsdynamik auf. Somit ist er ideal auf den verwendeten Schneckenextruder abgestimmt. Weiterhin lässt sich dieser durch die vielen verfügbaren Protokolle zur Übergabe von Bewegungsbefehlen einfach in die Gesamtanlage einbinden. Zur Komplettierung der Anlage gehört eine bis 120 °C beheizbare Bauplattform mit einer Größe von 2 m x 1 m sowie eine geschlossene Einhausung zur Steigerung der Prozessstabilität. Letztere wurde unter anderem durch Aluminiumprofile und Polyethylenterephthalat-Glykol-Platten (PETG) von RK Rose+Krieger, Minden und Simona, Kirn, umgesetzt. Das Material wird über zwei Trockner von Motan-Colortronic, Kirchlengern, aufbereitet und bereitgestellt. Zwei Materialzuführungen zum Extruder mischen die Kunststoffe direkt im Extruder. Durch das gezielte Ansteuern können so gradierte Bauteile mit lokal variierenden Eigenschaften hergestellt werden. Beispielhaft kann der Fasergehalt an kritischen Stellen des Bauteils gezielt erhöht werden. Eine am IKV entwickelte Anlagensteuerung bringt alle Teilsysteme in Einklang und ermöglicht die automatisierbare Herstellung von hochwertigen Endbauteilen in der AF.

In Düsseldorf konnten Messebesucher die Vorteile und Fähigkeiten des Systems begutachten. Vor Ort wurde ein Hocker aus biobasiertem, holzfasergefülltem Polymer gefertigt. Hierzu wurden zwei Werkstoffe von Tecnaro, Ilsfeld, eingesetzt. Aus dem unverstärkten, Lignin-basierten Arboblend 3048 V entstand die Sitzfläche des Hockers. Zur Fertigung des Grundkörpers wurde anteilig Arboform LV4 hinzugegeben. Aufgrund des hohen Anteils an Fichtenfasern weist dieses Material eine hohe Steifigkeit von 6.200 MPa, vergleichbar mit einer Glasfaserfüllung, auf. Im Gegensatz zu glasfasergefüllten Werkstoffen, basieren beide verwendeten Materialien jedoch auf nachwachsenden Rohstoffen und sind biologisch abbaubar. Durch die beiden Materialzuführungen der Fertigungsanlage können die verwendeten Werkstoffe im Prozess nach nutzerdefinierten Anteilen und lokal variabel gemischt werden. Neben der lokalen Steigerung der Steifigkeit sorgt dies auch für eine holzähnliche Maserung des Bauteils. Mithilfe der Adam-Technologie wird dem Grundkörper eine Wellenstruktur überlagert, wodurch das gezielte Ausrichten der Stränge im dreidimensionalen Raum und somit das optimale Nutzen der hohen Steifigkeit des fasergefüllten Werkstoffs ermöglicht wird. Die Gesamtfertigungszeit des Hockers beträgt zwei Stunden. Durch eine verbesserte Bauteilkühlung lässt sich diese aber zukünftig weiter reduzieren.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – EXC 2023 Internet of Production – 390621612.

[GRS10] GIBSON, I.; ROSEN, D. W.; STUCKER, B.: Additive Manufacturing Technologies. Boston, MA : Springer US, 2010 — ISBN 978-1-4419-1119-3
[HL16] HOPMANN, CH.; LAMMERT, N.: Integrated additive and subtractive manufacturing for thermoplastic products. In: 6th International Conference on Additive Technologies - iCAT 2016 proceedings, Nürnberg (2016)
[HP19] HOPMANN, CH.; PELZER, L.: Additive Manufacturing of Large Functional Assemblies through a Hybrid Approach. In: 35th International Conference of the Polymer Processing Society (2019), Cesme-Izmir, Türkei
[WHR+19] WURZBACHER, S.; HOPMANN, CH.; RÖBIG, M.; PELZER, L.; TOPMÖLLER, B.; SCHMITZ, M.: Jenseits menschlicher Fähigkeiten - Modellgestützte Prozesseinrichtung durch vollvernetzte Produktion im Spritzgießen. In: Kunststoffe (2019)
[Woh22] WOHLERS ASSOCIATES (Hrsg.): Wohlers report 2022: 3D printing and additive manufacturing global state of the industry. Fort Collins (Colo.) : Wohlers Associates, 2022 — ISBN 978-0-9913332-9-5

Quelle: IKV