Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMFür Anwendungen kleiner Losgrößen und individuell angepasster Bauteile ist der 3D-Druck oft die wirtschaftlichste Lösung. Um die im Leichtbau geforderte Gewichtseinsparung zu erreichen, werden Verfahren zum Schaumdrucken entwickelt. Durch maßgefertigte Leichtbauteile aus dem 3D-Drucker lassen sich verschiedenartige nachhaltige und hochgradig individualisierte Produkte wie isolierende Verkleidungen, Sitzpolster, Prothesen oder Schuhsohlen realisieren. Eine durchgängige Digitalisierung und Simulation des Schaumdruckprozesses beschleunigt die Prozess- und Produktentwicklung und sichert frühzeitig ein hohe Produktqualität.
Additive Fertigung mit 3D-Schaumdruck
Maßgeschneiderter Leichtbau
Mit der richtigen Kombination aus Materialien, Drucktechnik und simulationsgestützter Planung werden individualisierte und mechanisch belastbare Leichtbauteile hergestellt.
© Fraunhofer ITWM / Fraunhofer ICT
FoAM – Additive Fertigung mit 3D-Schaumdruck
Innovative Filamente, Drucktechnik und Simulation
Neuartiger Materialansatz für noch leichtere Bauteile
Der derzeitige Stand der Technik ist das Beladen der Druckfilamente mit chemischen Treibmitteln, wodurch die Dichte der Bauteile auf 35 Prozent des Vollmaterials reduziert werden kann. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT hat ein neuartiges Verfahren für das Versetzen der Filamente mit Treibmitteln entwickelt und an verschiedenen Materialien zur Abdeckung eines breiten Anwendungsspektrums getestet (Polylacticacid PLA, Cellulose-Propionat CP und Polystyrol PS). Mit der neuen Vorgehensweise kann die Bauteildichte sogar auf bis zu fünf Prozent im Vergleich zum Vollmaterial gesenkt werden. Dies bedeutet auch, dass die volumenbezogenen Druckzeiten durch das Aufschäumen um den Faktor 20 gegenüber der soliden Variante gesenkt werden können.
Für Sondermaschinen, spezielle Ersatzteile und andere individualisierte Produkte kann aus Schaum passgenaues Verpackungsmaterial gedruckt werden, das vor Transportschäden schützt.
Garantierte Bauteileigenschaften durch verbesserte Prozesskontrolle
Die Dichteverteilung des Schaums im gedruckten Bauteil lässt sich dabei einfach über die Druckparameter (Temperatur, Vorschub, etc.) gezielt in einem weiten Wertebereich einstellen. Dadurch ist es auch möglich kombinierte Bauweisen in einem Druckvorgang herzustellen, z.B. sogenannte Sandwichkonstruktionen mit dünnen Deckschichten aus Vollmaterial an der Außenseite des Bauteils und einem geschäumten Kern in der Mitte. Somit lassen sich Teile mit hoher mechanischer Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht realisieren.
Um aufschäumbare oder dünnflüssige Kunststoffe überhaupt zu verdrucken, wurde am Zentrum für Additive Produktion (ZAP) am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA eine spezielle Druckdüse entwickelt, die verhindert, dass bei Fahrten ohne Materialaustrag ungewollt flüssiges Material austritt. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für qualitativ hochwertige Bauteile, die keine Nachbearbeitung von Hand benötigen.
Musterbausteil aus Polylacticacid PLA
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Simulationsgestützte Planung des Druckprozesses
Da das Druckergebnis von vielen Parametern beeinflusst wird, gestaltet sich das Bestimmen der optimalen Prozessführung durch Trial-and-Error sehr zeitaufwendig und materialintensiv. An diesem Punkt setzen spezialisierte Simulationsmodelle und -methoden unserer Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« des Fraunhofer ITWM an. Unsere Software FOAM ermöglicht es, den Schaumdruckvorgang in der Simulation abzubilden, sodass man das zu erwartende Ergebnis mit der Vorgabe für das Bauteil vergleichen kann, ohne eine Probe drucken zu müssen.
Die Prozessparameter (Treibmittelbeladung, Vorschubgeschwindigkeit, Bahnkurve der Düse, …) werden sukzessive angepasst, bis das gewünschte Ergebnis erzielt ist. Dadurch wird die Nachhaltigkeit nicht nur durch den Einsatz des Bauteils erhöht, sondern es werden bereits bei der Herstellung wertvolle Ressourcen geschont.
Die Simulation liefert sowohl die Form als auch die Dichteverteilung des gedruckten Bauteils, sodass im weiteren Verlauf auch strukturmechanische Simulationen durchgeführt werden können. Für die Anwendung steht damit eine digitale Prozesskette zur Verfügung, die beim CAD-Entwurf beginnt und über die Prozesssteuerung hinaus Daten für die weitere Analyse und Bewertung des gedruckten Bauteils bereitstellt.