Zuverlässigkeit in der generativen Fertigung

© Felizitas Gemetz/Fraunhofer IWM

Ein generativ gefertigter, bionisch inspirierter Stuhl wird am Fraunhofer IWM auf seine Belastbarkeit getestet. Modellgröße: 40% des Originals.

Generative Fertigungsverfahren gewinnen bei der Herstellung von Kleinserien maßgeschneiderter Bauteile und der Fertigung komplexer Bauteilstrukturen an Bedeutung. Der Übergang vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing erfordert, dass die gefertigten Teile einer zuverlässigen und definierten Qualitätskontrolle unterzogen werden. Dazu beschreiben wir experimentell und rechnerisch die Eigenspannungen und Formverzüge, die durch den schichtweisen Aufbau von Bauteilen im selektiven Laserschmelz(SLM)-Verfahren oder in der Stereolithographie entstehen Weiterhin untersuchen wir mithilfe von Finite-Elemente-Methoden und »computer aided optimization« die mechanischen Eigenschaften komplexer Strukturen, wie sie durch generative Verfahren erzeugt werden können. Durch eine belastungsgerechte und funktionsoptimierte Auslegung werden funktionstüchtige Bauteile für das »Internet der Dinge« ermöglicht.

Jaeger, R.; Koplin, C.; Brand, M.; Meiners, W.; Jansen, S.; Improving the Reliability in Rapid Manufacturing of metallic Components, in Proc. of Euro-uRapid 2007, International User’s Conference on Rapid Prototyping and Rapid Tooling and Rapid Manufacturing (2007)

Koplin, C.; Gurr, M.; Mülhaupt, R.; Jaeger, C. R.; Shape accuracy in stereolithography: A material model for the curing behavior of photo-initiated resins, in Proc. of Euro-uRapid International 2008, User’s Conference on Rapid Prototyping and Rapid Tooling and Rapid Manufacturing (2008) 315-318 Link

Auslegung für generative Fertigungsverfahren und bionische Strukturen

 

Biomimetische - von der Natur inspirierte - Strukturen können aufgrund ihrer Geometrie gut mit additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Als Demonstrator für ein generativ gefertigtes Bauteil mit Zellenstruktur wurde am Fraunhofer IWM ein bionisch ausgelegter Freischwinger (Stuhl) ausgelegt. Hierzu wurde eine Software für die »computer aided optimization (CAO)« entwickelt, die die zelluläre Struktur, auch großer Bauteile, effizient bewertet und den Belastungen entsprechend optimiert.

Künstliche Adersysteme und Blutgefäßersatz

 

Die Versorgung von Gewebe mit Nährstoffen durch ein Adersystem (Vaskularisation) ist eine aktuelle Herausforderung im Tissue Engineering. Das Fraunhofer IWM ist an Projekten beteiligt, deren Ziel die additive Fertigung eines Blutgefäßsystems zur Versorgung von in vitro gezüchtetem Gewebe ist. Wir bestimmen die optimale Topologie des Blutgefäßsystems und optimieren die lokale Geometrie der Verzweigungen, um bestmögliche fluid-mechanische Flussbedingungen zu erreichen. Die mechanischen Eigenschaften künstlicher Blutgefäße und die Diffusion von Nährstoffen durch Hydrogele und Vliese zur Versorgung der Zellen werden experimentell untersucht. Das künstliche Blutgefäßsystem soll zukünftig die »Biofabrication« von Gewebemodellen, und  Transplantaten ermöglichen.

Der Kunde als Designer

 

Additive Fertigungsverfahren entwickeln sich zu einem wesentlichen Treiber der partizipativen Fertigung, »mass customization« und »open innovation«. Individualisierte Produkte oder Ersatzteile können prinzipiell von jedem am Computer entworfen und anschließend mit dem eigenen 3D-Drucker, in einem FabLab oder durch einen Lohnfertiger generativ hergestellt werden. Aber nicht jeder ist ein fähiger Ingenieur oder ein guter Designer. Wir arbeiten an Grundlagen für Softwaretools, die die belastungsgerechte Auslegung von Bauteilen durch den Endanwender vereinfachen.

© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Bauteile aus sortenreinen PE-Kompositen: Mittels Katalysator werden unterschiedliche, unverzweigte PE-Ketten hergestellt (oben) und die in der 3D-Druckdüse entstehenden Faserstrukturen in der gewünschten Orientierung im gedruckten Bauteil abgelegt.

Komplett recycelbare, sortenreine Leichtbau-Verbundwerkstoffe für den Spritzguss

 

Bisher mussten Polyethylen-Kunststoffe (PE) mit Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkt werden, um im Leichtbau verwendet werden zu können. Dies macht jedoch die Herstellung aufwändig und erschwert die Wiederverwertung der Werkstoffe.

Polyethylen (PE)-Kunststoffe weisen ohne solche Zusätze eine sehr gute Energie-, Umwelt- und Kostenbilanz auf. Sie können einfach und nahezu unendlich oft wiederverwertet werden: gebrauchtes Produkt raspeln, aufschmelzen und zu neuen Bauteilen formen, die eine gleichbleibend hohe Qualität aufweisen.

In Zusammenarbeit mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefinhersteller LyondellBasell hat das Fraunhofer IWM ein leistungsfähiges, »sortenreines PE-Komposit« hergestellt und qualifiziert, das sogar im Spritzguss-Verfahren verarbeitet werden kann. Die verstärkenden Faserstrukturen bestehen dabei ebenfalls aus PE und bilden sich im Spritzguss.

Am Materialforschungszentrum FMF der Universität Freiburg konnte durch eine speziell entwickelte Katalysetechnik erstmals Blends aus PE mit verschiedenen Kettenlängen - einschließlich ultra-hochmolekularem PE - direkt im chemischen Reaktor synthetisiert werden, sogenannte  »Reaktor-Blends«. Diese Mischungen bilden im Spritzguss faserähnliche Nanostrukturen aus, die das Material verstärken. Die Faserstrukturen bilden sich aus, wenn im Spritzgusswerkzeug hohe Scherströmungen auftreten. Durch die so gewonnene Stabilität des Materials kann es im Leichtbau verwendet werden und ist direkt zu 100% recyclebar. Im 3D-Druckverfahren können sich die Faserstrukturen des neuen Materials auch in der Düse ausbilden. Damit kann die Faser-Ausrichtung während des 3D-Drucks gezielt eingestellt werden.

Für das neu entwickelte sortenreine PE konnte eine attraktive Kombination von hoher Steifigkeit, Zugfestigkeit und Schlagfähigkeit beobachtet werden. Das Fraunhofer IWM bewertet die Eigenschaften der neuen sortenreinen Verbund-Kunststoffe unter tribologischer und unter crash-Belastung. Geeignete Reaktor-Blends erreichen die Verschleißbeständigkeit von Poly(amiden).

Anwendungsfelder für dieses neue Verfahren zur Herstellung gut recycelbarer Kunststoffe gibt es reichlich: Neben Zahnrädern im Automobil oder für die Lebensmittelindustrie sind auch sich anschmiegende Robotergreifer, Einlegesohlen mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften für die Orthopädieschuhtechnik oder Steckverbinder vorstellbar.

 

Hees, T.; Zhong, F.; Koplin, C.; Jaeger, R.; Mülhaupt, R., Wear resistant all-PE single-component composites via 1D nanostructure formation during melt processing, Polymer 151 (2018) 47-55 Link

Komplett rezyklierfähiger sortenreiner Leichtbau-Verbundwerkstoff für Spritzgussbauteile entwickelt

 

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