Die Additive Fertigung (AF) gehört zu den Kunststoffverarbeitungsverfahren, die in den letzten zehn Jahren eine rasante Entwicklung erfahren haben. Überall dort, wo es um individuell angepasste Bauteile in kleinen Losgrößen geht, ist sie inzwischen in der industriellen Praxis etabliert. Der Trend setzt sich fort zu immer größeren und anspruchsvolleren Anwendungen, denn das hohe Maß an geometrischer Freiheit durch den schichtweisen Aufbau bietet enormes Entwicklungspotenzial. Aktuelle Herausforderungen betreffen die vergleichsweise lange Fertigungszeit, die maximale Bauteilgröße und die mechanischen und optischen Bauteileigenschaften.

Additive Fertigung am IKV

Das IKV forscht bereits seit einigen Jahren an der Skalierung der Additiven Fertigung und kann dazu auf die umfangreiche eigene Forschung zu werkstoff- und prozesstechnischen Zusammenhängen in plastifizierenden additiven Fertigungsverfahren zurückgreifen. Ein wesentlicher Baustein ist dabei die physikalisch motivierte Modellierung der Abkühlung und Erstarrung des thermoplastischen Materials. Die Forschungsergebnisse ermöglichen es dem Anwender, das volle Potenzial der AF zu nutzen, Materialien anwendungsgerecht auszuwählen und Prozesse zu gestalten und zu optimieren.

Die Erkenntnisse wurden u.a. genutzt, um eine Anlage zur Fertigung großvolumiger Bauteile zu konzipieren und umzusetzen. Sie kombiniert den Masseaustrag eines Schneckenextruders mit dem Bauraum eines Gelenkarmroboters. Durch eine neuartige Bahnplanung, die Advanced Dimension Additive Manufacturing (ADAM) Technologie, kann die Bauteilqualität weiter gesteigert werden. Da hier die einzelnen Schichten beliebig im dreidimensionalen Raum gekrümmt und angeordnet sein können, lassen sich Bauteile mit präzisen, glatten Oberflächen und einstellbaren mechanischen Eigenschaften fertigen.

Dr.-Ing. Christoph Zimmermann, M.Sc.

Abteilungsleiter Additive Fertigung +49 241 80-93827 christoph.zimmermann@ikv.rwth-aachen.de

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Additive Fertigung im Exzellenzcluster „Internet of Production“

Im Exzellenzcluster Internet of Production kommen additive Fertigungsverfahren zum Einsatz, um die Entscheidungsqualität und die Entscheidungsgeschwindigkeit während der Produktion zu verbessern. Hierzu wurde ein Produktionsplanungs- und Steuerungssystem entwickelt, das große und heterogene Anlagenparks verwaltet und automatisiert ansteuert. Das System ermöglicht dem Nutzer außerdem die Vorgabe der Bauteileigenschaften, woraufhin die zugehörigen Prozessparameter präzise bestimmt werden. Auch eine dezentrale Produktion unter Berücksichtigung der Gesamtkosten sowie Minimierung des ökologischen Fußabdrucks lässt sich durch dieses System realisieren. 

Untersuchungen zur Prognosefähigkeit der Eigenschaften schmelzebasiert additiv hergestellter Kunststoffbauteile

In diesem gemeinsam mit der Volkswagen AG durchgeführten Forschungsprojekt werden die Unterschiede der mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Prototypen und spritzgegossenen Bauteilen betrachtet. Mittels der Untersuchungen von Probekörpern, Funktionselementen und Demonstratorbauteilen werden Eigenschaftsunterschiede systematisch ermittelt und die Eignung additiv gefertigter Prototypen evaluiert. Weiterhin sollen Möglichkeiten zum Transfer der an additiv gefertigten Prototypen ermittelten Eigenschaften auf Spritzgießbauteile ermöglicht werden.

Entwicklung einer Methode zur verbesserten Vorhersage der lokalen mechanischen Bauteileigenschaften für plastifizierende additive Fertigungsverfahren

Im Rahmen des Aif-Projektes soll eine Berechnungsroutine entwickelt werden, mit der die Zwischenschichtfestigkeiten von additiv gefertigten Bauteilen vorhergesagt werden kann. Dazu werden zunächst die Temperaturverläufe im Zwischenschichtbereich basierend auf dem Maschinencode in Abhängigkeit von den Fertigungsparametern bestimmt und die daraus resultierenden Zwischenschichtfestigkeiten untersucht. Die Ergebnisse dienen als Basis zur Modellierung der Entwicklung der Zwischenschichtfestigkeit und dem Aufbau einer Routine zu ihrer Vorhersage.

Weitere Forschungsprojekte im Bereich der Additiven Fertigung

  • Entwicklung eines neuartigen, generativ gefertigten Dornhalterwerkzeugs für die bindenahtfreie Extrusion von Kunststoffhalbzeugen
  • MAT-LAAM – Untersuchung und Entwicklung von Materialien zu industriellen Herstellbarkeit individueller Kunststoffgroßformteile durch Large Area Additive Manufacturing
  • Schnelle automatische Optimierung von statischen Mischern für die Extrusion von Kunststoffen mittels der Methode der Lagrange-Multiplikatoren zur Anwendung auf konventionellen Rechnersystemen

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Übersichtsposter zum Leitthema Additive Fertigung

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