Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ökonomische & technologische Qualifizierung des metallischen 3D-Drucks für die hygienische Anwendung in Anlagen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie (HygAM)

Der Metall-3D-Druck hat sich in zukunftsträchtigen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt als ergänzendes/alternatives Fertigungsverfahren etabliert. In der Lebensmittelindustrie kommt er jedoch vor allem wegen der Unsicherheit gegenüber hygienischen Risiken aufgrund mangelnder Oberflächenqualitäten kaum zum Einsatz. Es ist unklar welche 3D-Druckstrategien in Kombination mit welchen Nachbearbeitungsverfahren den hohen Ansprüchen der Branche genügen. Besonders für Innengeometrien (z.B. Kanäle in Wärmetauschern) gibt es noch keine validen Empfehlungen, die den Metall-3D-Druck für die Anwendung in der Lebensmittelindustrie technologisch/ökonomisch qualifizieren. Ziel des Projekts ist es, diese Lücke zu schließen und Konstruktionsanweisungen inkl. geeigneter Nachbearbeitungsverfahren zu erarbeiten, welche die Bauteilentwicklung für hygienische Anwendungen mittels metallischem 3D-Druck ermöglichen. Dies umfasst vor allem auch die Einprägung von reinigungsunterstützenden Makrostrukturen, was erstmalig durch die Anwendung additiver Fertigungsverfahren möglich wird. KMU im Lebensmittelbereich, für die Flexibilität aufgrund immer häufiger wechselnder Chargen stetig wichtiger wird, profitieren insbesondere durch die dann profitable Kleinserienfertigung des Metall-3D-Drucks. Im Projekt erfolgt die Definition und Konstruktion von Standardgeometrien und makrostrukturierten Oberflächen, welche eine Art Baukastensystem für folgende Untersuchungen liefern. Anschließend wird der 3D-Druckprozess für die Bauteile soweit optimiert, bis sich eine gute Ausgangsqualität einstellt, um den Nachbearbeitungsaufwand niedrig zu halten. Der nächste Projektabschnitt erfolgt iterativ, wobei die gedruckten Bauteile einem Nachbearbeitungsschritt unterzogen werden, um im Anschluss auf Ihre Reinigbarkeit überprüft zu werden. Wenn die Reinigbarkeitstests zeigen, dass die hygienischen Anforderungen erfüllt sind, werden entsprechende Handlungsempfehlungen erarbeitet und im Projektabschluss validiert.

Ergebniszusammenfassung:

Die sehr eingeschränkte Daten- und Informationslage bezüglich der Anwendung von durch metallischen 3D-Druck hergestellten Bauteilen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie wird durch die Veröffentlichung der Ergebnisse dieses Projektvorhabens eindeutig verbessert.

Das Projektvorhaben schafft eine umfangreiche, fundierte Datenbasis, welche qualitativen Ergebnisse bei der Reinigung additiv gefertigter Bauteile abhängig von den Fertigungsparametern und verwendeten Nachbearbeitungsverfahren zu erwarten sind. Dabei wurde nicht auf Anwendungen des Stands der Technik im Rahmen des 3D-Drucks zurückgegriffen, sondern zahlreiche Verbesserungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette durchgeführt.

Diese beinhalten die Anpassung der Belichtungsstrategie sowie die Identifikation geeigneter Nachbearbeitungsverfahren, wodurch eine signifikante Verbesserung der Oberflächengüte und Minimierung der oberflächennahen Porosität 3D-gedruckter metallischer Bauteile erzielt wurde.

Darüber hinaus wurde durch simulationsgestützte, konstruktive Anpassungen der Bauteile und die gezielte Modifikation der Makrostruktur der Oberflächen eine deutliche Verbesserung der Reinigbarkeit erzielt.

Die Erkenntnisse wurden in einem industrienahen Demonstrator umgesetzt, wobei ein konventionell gefertigter Ventilblock durch eine innovative, gewichts- und materialoptimierte Ventilbaugruppe mit reinigungsfördernder Oberflächenstrukturierung substituiert werden konnte.

Der Nutzen des Forschungsvorhabens für KMU zeigt sich im Bereich der Determinierbarkeit der Belichtungsoptimierungen für den metallischen 3D-Druck, einer besseren Abschätzbarkeit der Wirkungsweise von Nachbearbeitungsverfahren sowie Konstruktionsanpassungen und somit in einer erhöhten Sicherheit bei der Auslegung additiv gefertigter Bauteile und Baugruppen für diesen Industriezweig. Außerdem lassen sich die Erkenntnisse auf andere Materialien, wie z. B. Titan, übertragen. So wird eine Erweiterung des Produktportfolios der KMU erleichtert.