Fast 10 Milliarden Euro betrug 2022 der weltweite Umsatz mit additiver Fertigung, die jährlichen Wachstumsraten liegen bei rund 20 %. Im 3D-Druck lassen sich komplexe Bauteile in kleinen Stückzahlen relativ schnell herstellen. So können Hersteller schnell und flexibel auf geänderte Markt- und Kundenbedürfnisse reagieren. Sofern thermoplastische Kunststoffe die Ausgangsstoffe sind, bleiben die Investitionskosten für Drucker und Materialien erheblich überschaubar.
Eine Herausforderung bei der additiven Fertigung ist allerdings die Qualitätssicherung. Oft fehlen ausreichende Erfahrungswerte, Messmethoden und Standards für die Herstellungsverfahren, aber auch für die Bauteile selbst.
Qualitätssicherung: Referenzdaten für den 3D-Druck aus Metallpulver
Projekt Addiq: Im Dienst der Qualtität im 3D-Druck
Diese Lücke soll das Vorhaben Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung (Addiq) füllen. Einer der beteiligten Partner ist das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle an der Saale. Die Aktiviäten des Institutes in diesem Vorhaben koordiniert Dr.-Ing. Patrick Hirsch gemeinsam mit Dr.-Ing. Ralf Schlimper.
Unternehmen vor Ort sollen Softwarelösungen zur Verfügung gestellt bekommen, die eine Dokumentation und automatisierte Auswertung von Prozessdaten ermöglichen, so Hirsch. Auch Vorhersagen der Bauteilqualität und die Integration der verschiedenen Systeme entlang der Prozesskette sollen möglich sein. „Wenn das gelingt“, sagt der Wissenschaftler, „erleichtern wir damit die Einführung additiver Technologien und verbessern deren Performance.“
3D-Druck soll wirtschaftlich und automatisiert ablaufen
Regional produzierende Unternehmen erhielten die Möglichkeit, hochwertige und fortschrittliche Produkte in qualitätsgesicherte additive Verfahren herzustellen – wirtschaftlich und mit hohem Automatisierungsgrad.
Das Institut ist innerhalb des Konsortiums in zwei Teilprojekten aktiv. Eines davon betrifft die Herstellung von Teilen für das Transportwesen: Dies sollen die Ausfallzeiten von komplexen Großgeräten wie Werkzeugmaschinen, Triebwagen, Waggons, Schiffen und Flugzeugen reduzieren.
Leichte, komfortable Orthesen mittels 3D-Druck herstellen
Im zweiten Addiq-Teilprojekt des Fraunhofer IMWS stehen Bauteile für die Orthetik im Mittelpunkt. Sie werden im multiaxialem 3D-Druck gefertigt. Hierfür arbeiten die Fachleute mit der SLV Halle GmbH und der Automation, Sonder- und Werkzeugmaschinen ASW GmbH aus Naumburg zusammen.
Solche medizinischen Hilfsmittel werden im Idealfall maßgefertigt und an die individuelle Körperform angepasst. „Hier kann die generative Fertigung ihr Potenzial voll ausspielen“ sagt Hirsch. Sie mache schnelle Einzelanfertigungen mit hoher Gestaltungsfreiheit zu günstigen Preisen und mit leichten, gut zu tragenden Materialien möglich. Das Ziel sei es, diese Potenziale noch besser zu heben. Wichtig dafür ist, die vollständige Wertschöpfungskette digital abzubilden, ausgehend vom vermessenen Körperteil über notwendige konstruktive Anpassungen bis zur Fertigung eines Einzelteils. „Wir setzen dabei auf faserverstärkte Kunststoffe und bionische Konstruktionsweisen“, erläutert Hirsch.
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3D-Druck am Beispiel einer Unterschenkelorthese optimieren
Ergebnis des Teilprojekts soll eine Unterschenkel-Orthese sein, die aus einem Materialverbund mit einer Kontaktseite zum Körper aus Polyethylenterephthalat, einer versteifenden Struktur aus PA und faserverstärktem Material, genauer PA und Faser, besteht. Herausforderungen sind neben dem 3D-Druck mit verschiedenen Materialien die Qualitätsanforderungen an Maßhaltigkeit, mechanische Stabilität und Tragekomfort.
Die Projektpartner setzen dabei auf Druckköpfe für das Fused Deposition Modeling (FDM) und die Verstärkung mittels lastpfadgerecht abgelegten Endlosfasern in einem Drucksystem. Die thermoplastisch umhüllte Endlosfaser wird kraftschlüssig an die vorher im selben Bauraum gefertigte Grundstruktur der Orthese angebunden – durch gezieltes lokales Erwärmen mit einem Laser.
Viele Sensoren helfen beim Standardisieren des 3D-Drucks
Zu den Projektzielen gehört zudem eine umfassende Sensorierung der multiaxialen Steuerungssysteme der Drucker – auch, um auf Basis der Daten eigene Standardisierungsverfahren für den 3D-Druck von Orthesen ableiten zu können.
Das Fraunhofer IMWS bringt seine Expertise vor allem für die werkstoffmechanischen Untersuchungen der gedruckten Proben und Teststrukturen ein. Auch die Eignung der Herstellungsparameter für die zu erzielenden Bauteileigenschaften soll betrachtet werden. Im Abschluss verifiziert das Fraunhofer-Team am faserverstärkten und lastpfadgerecht ausgelegten Demonstrator die Tauglichkeit anhand geeigneter Prüfungen.
Daten, Material, Prozess, Bauteil und Standardisierung sollen kombiniert werden, um bei den Einsatzmöglichkeiten für additive Fertigung mit thermoplastischen Kunststoffen ein neues Niveau zu erreichen. Idealerweise soll sich das auf additive Wertschöpfungsketten mit metallischen Werkstoffen übertragen lassen – oder auch auf die additive Fertigung in Kombination mit konventionellen Fertigungstechnologien.
3D-Druck-Kompetenzregion soll rund um Halle und Merseburg entstehen
Insbesondere für kleine Unternehmen lässt sich so der Einstieg in eine innovative Fertigungstechnologie erleichtern. So soll mittelfristig rund um Halle und Merseburg eine 3D-Druck-Kompetenzregion mit nationaler und internationaler Ausstrahlung entstehen.
Im Rahmen des Förderprogramms Rubin – Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation fördert das Bundesministeriums für Bildung und Forschung das Vorhaben Addiq. Insgesamt 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft haben sich darin zusammengeschlossen. (op)
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Patrick Hirsch, Gruppenleiter Nachhaltige Werkstoffe und Prozesse, Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS,
E-Mail: patrick.hirsch@imws.fraunhofer.de
