Additive Fertigung

Zwei-Komponenten-Bauteil während und nach der Entfernung der Salz-Stützstruktur - (Bild: IKT).

Der weiterhin schnell wachsende Markt der Additiven Fertigung ist mittlerweile an einem Punkt angelangt, an dem die Technologie in vielen Branchen über den Prototypenstatus hinaus eingesetzt wird. Immer neue Verbesserungen führen zu ansteigenden und reproduzierbareren Bauteilqualitäten bei gleichzeitig sinkenden Kosten und Fertigungszeiten pro Bauteil. Ein aktueller Trend in der Additiven Fertigung ist die personalisierte Fertigung seriennaher Bauteile in hierfür lange Zeit undenkbaren Stückzahlen. Im Rahmen des 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums werden aktuelle Forschungsgebiete in der Additiven Fertigung dargestellt. Ingenieur Martin Friedrich vom Additive Manufacturing Campus der BMW AG stellt außerdem in einem Plenarvortrag den aktuellen Stand der Additiven Fertigung in der Automobilindustrie vor.

Am Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart wird der Fokus bei der Additiven Fertigung hauptsächlich auf die Werkstoffentwicklung gelegt. So werden beispielsweise lösliche Stützstrukturwerkstoffe entwickelt, die in Bezug auf die Nachbearbeitung der Bauteile große Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkstoffen bieten. Um diese Vorteile auch im Hinblick auf ein steigendes Umweltbewusstsein nutzen zu können, wird ein wasserlöslicher und gleichzeitig biologisch abbaubarer Stützstrukturwerkstoff entwickelt. Durch die Eincompoundierung von Salz in das Biopolymer Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) konnte beim Herauslösen des Salzes in Wasser eine ausreichende Abnahme der mechanischen Festigkeit der bioabbaubaren Stützstruktur erreicht werden, dass diese anschließend ohne Rückstände oder Oberflächenschäden vom Bauteil entfernt werden können.

In einem weiteren Forschungsprojekt werden auxetische Strukturen mittels Additiver Fertigung hergestellt. Auxetische Strukturen besitzen eine negative Querkontraktionszahl und weiten sich daher quer zur Belastungsrichtung auf, anstelle sich zu verjüngen. Dieses besondere Verhalten wird nicht etwa durch die eingesetzten Werkstoffe, sondern durch die Struktur hervorgerufen und bietet somit völlig neuartige Funktionalitäten und Designmöglichkeiten. In der Regel weisen auxetische Strukturen einen sehr komplexen Aufbau auf, wodurch erst durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird. Aufgrund der hohen Gestaltungsfreiheit des Strangablegeverfahrens bietet es sich an, auxetische Strukturen mit diesem Verfahren herzustellen. Daher werden am IKT Polylactid (PLA) und Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) charakterisiert und mittels Strangablegeverfahren zu auxetischen Strukturen verarbeitet.

Aber nicht nur die Werkstoffe, sondern auch der Prozess selbst wird am IKT intensiv erforscht. So wird beispielsweise die Auswirkung der Düsengestaltung beim Strangablegeverfahren experimentell und simulativ untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse können in Zukunft zur Validierung von Modellen und Simulationsansätzen verwendet werden, die der Prozessoptimierung dienen.

Auch das Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart beschäftigt sich ausführlich mit den Möglichkeiten der Additiven Fertigung. Ein Fokus ist dabei das Zwei-Photonen-SLA-Verfahren. Die erreichbare Produktionseffizienz stereolithografischer Fertigungsverfahren ist durch den typischen schichtbasierten Herstellungsprozess und des statischen Belichtungsschemas begrenzt. Die kleinste zu realisierende Geometrie am Bauteil definiert die globale Druckgenauigkeit und führt in der Regel zu langen Druckzeiten. Mittels der 2-Photonen-Polymerisation kann die Polymerisation von Photopolymeren scharf abgegrenzt werden und bietet in Kombination mit einer gezielten Belichtungsstrategie (Strahlformung) Potenzial für eine lokale Anpassung der Genauigkeit.

Um das volle Potenzial der Additiven Fertigung zu nutzen, müssen auch Verfahrenskombinationen betrachtet werden. Dies geschieht am IFB beispielsweise durch teilindividualisierte und nachverfolgbare semistrukturelle Spritzgussbauteile mit In-situ-Anbindung additiv hergestellter Subkomponenten. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wird die Anpassung des großserienfähigen Spritzgussprozesses durch Teilindividualisierungen von Modulen und Komponenten untersucht. Ziel ist es, dabei individuelle, additiv gefertigte Subkomponenten mit standardisierten Bereichen während des Spritzgussprozesses in situ zu kombinieren und anschließend eine Nachverfolgbarkeit des Bauteils durch Integration eines RFID-Chips zu ermöglichen

Dieses und weitere Themen der Kunststofftechnik werden im Rahmen des 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums digital vom 1. bis zum 4. März 2021 vorgestellt.

27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 01.-04. März 2021, Stuttgart

Weitere Informationen:
www.ikt.uni-stuttgart.de/27.-stuttgarter-kunststoffkolloquium/, www.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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