ILK: Innovationslabor für generative Fertigung eröffnet - Glasfaserverstärke Bauteile aus dem 3D-Drucker

Im 3D-Druckverfahren hergestellt: Zugschlaufe mit Endlosfaserverstärkung aus Glasfaser-Polypropylen

Wissenschaftler am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden haben einen System-Druckkopf für die Verarbeitung von Verstärkungsfasern aus Hybridgarn im 3D-Druck-Verfahren entwickelt. Der neue Druckkopf kommt im neu eröffneten Innovationslabor für generative Fertigung am ILK zum Einsatz.

Additive Fertigungsverfahren bieten durch die nahezu grenzenlose Formfreiheit ein großes Potential für den Leichtbau. Das Schmelzschicht-Verfahren (Fused Deposition Modeling – FDM) gehört zu den erfolgreichsten Verfahrensvarianten. Die strukturellen Eigenschaften hergestellter Komponenten sind durch den Einsatz von unverstärkten Thermoplasten bisher jedoch begrenzt. Für die Anwendung von endlosfaserverstärkten Thermoplasten im 3D-Druck-Verfahren wurde am ILK ein Druckkopf entwickelt, der die spezifischen Verarbeitungseigenschaften und -anforderungen von Faserverbunden berücksichtigt. Der neuartige Druckkopf ist laut ILK in der Lage, erstmals kommerzielle Hybridgarne im 3D-Druck zu verarbeiten und dreidimensionale Objekte mit hohem Faservolumengehalt zu erzeugen.

Komplexe und robuste Bauteile im 3D-Druck-Verfahren

Wissenschaftler Dipl.-Ing. Arnd Struve arbeitet am 3D-Drucker im Innovationslabor für generative Fertigung am ILK.

Als Ausgangsmaterial für den Druck-Prozess nutzen die ILK-Wissenschaftler ein Hybridgarn aus Glasfasern und Polypropylen als Verstärkungs- und Matrixkomponente und realisieren damit die Herstellung endlosfaserverstärkter Strukturen mit 35 Prozent Faservolumengehalt. Um die Verarbeitung des komplexen Werkstoffes zu ermöglichen, wurden mit Hilfe des neu entwickelten Druckkopfes umfangreiche Prozessstudien durchgeführt. In angepassten Versuchen konnten die Forscher bereits die relevanten elastischen Kennwerte und Festigkeiten bestimmen und eine Modellierungsstrategie zur Auslegung der neuen Werkstoffe erarbeiten.

Das neue Verfahren soll es ermöglichen, flexibel komplexe Bauteile effizient und günstig herzustellen, die gleichzeitig hohen mechanischen Beanspruchungen gerecht werden. Mit dem entwickelten Faserdrucker wurden am ILK bereits erste Demonstratoren wie Biegeträger oder Zugstreben gedruckt und getestet. Die hergestellten Bauteile veranschaulichen die Möglichkeit, verschiedene Faserorientierungen innerhalb derselben Schicht beanspruchungsgerecht umzusetzen und im Multi-Material-Design mit anderen Werkstoffen zu kombinieren.

Das Innovationslabor für generative Fertigung wurde über die Professur für Funktionsintegrativen Leichtbau am ILK eingerichtet. Inhaber der Professur, Prof. Dr.-Ing. Niels Modler: "Der Leichtbau kann durch bionische Verstärkungsstrukturen, Multi-Material-Design und maßgeschneiderte Faserverbundtechnologie von der generativen Fertigung profitieren. Mit der Entwicklung des Druckkopfes etablieren wir eine vollkommen neue Materialgruppe der faserverstärkten Kunststoffe für die additive Fertigung."

Weitere Informationen: tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/ilk

Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), Technische Universität Dresden, Dresden

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