Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

FaserFab: Additive Fertigung mit Fasern als Druckrohstoff

Die additive Fertigung von Bauteilen ist aufgrund Ihrer hohen Flexibilität und der Vielzahl möglicher Materialien ein rasch wachsendes Marktumfeld. Speziell das weitverbreitete FDM-Verfahren ist aber durch die Schmelzeextrusion in der Produktivität eingeschränkt. Der zweite Nachteil beim Druck im FDM-Verfahren, aber auch beim alternativen Lasersintern, ist die niedrige molekulare Orientierung der Polymere, wodurch im Gegensatz zu textilen Werkstoffen in Form von Kompositen nur reduzierte Werkstoffeigenschaften erzielt werden.

Der Lösungsansatz zur Erhöhung der Produktivität und für verbesserte Bauteileigenschaften ist die generelle Nutzung von Endlosfaserwerkstoffen als Druckrohstoff für die additive Fertigung. Im hier vorgestellten Ansatz soll die reine Schmelze des FDM-Drucks generell durch Endlosfasern ersetzt werden. Die Endlosfasern werden aus hochschmelzenden Polymeren hergestellt, können aber aus unschmelzbaren Werkstoffen gefertigt sein. Die Endlosfasern erhalten eine schmelzbare Matrix in Form eines Umwindegarns, wobei der Schmelzpunkt des Matrixpolymers deutlich unter dem der Endlosfasern liegen muss. Durch Erwärmen wird nur die Polymermatrix aufgeschmolzen, die beim ablegen im Bauteil aufgrund Ihrer geringen Masse sehr viele rascher aushärten kann als eine reine Schmelze.

Die Endlosfaser bringt durch hohe Orientierung Bauteile mit sehr guten mechanischen Eigenschaften hervor, da die Faser stets in Lastrichtung verlegt werden kann. Endlosfasern sind den im FDM-Druck oft beigemischten Kurzfasern signifikant überlegen. Durch Vormischen von Fasertypen können Hybridgarne zum Einsatz kommen, etwa mit Metall-, Glas- oder Aramidfasern vermischte Systeme. Durch Einsatz von angefärbtem Matrixpolymer können leicht farbige Bauteile erzeugt werden. Insbesondere KMU`s für FDM-Druck in Kombination mit hochentwickelten Faserwerkstoffen profitieren von den Ergebnissen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt FaserFab wurde erstmals der Einsatz von Garnen als Druckrohstoff in der additiven Fertigung untersucht. Hierbei wurden hochschmelzende/nichtschmelzende Kernfasern mit einer schmelzbaren zweiten Garnfraktion in einem Garn verbunden. Durch Aufschmelzen des zweiten Garns in der Düse eines modifizierten 3D-Druckers wurden die Garne Schichtweise abgelegt und zu einem 3D-Körper aufgebaut. Die generell eingesetzten Fasertypen im Projekt waren Bikomponentenfasern und Umwindegarne. Die Kerngarne können neben den Standardfasertypen wie Polyamiden oder Polyestern auch Hochleistungsfasern wie Carbonfasern, Glasfasern oder Metallfasern sein. Im Projekt wurden exemplarisch Carbonfasern als Umwindegarne hergestellt und auf Ihre Eignung im Druckprozess untersucht. Das Hauptproblem dabei waren zu hohe Filamentzahlen, was durch die hohe Steifigkeit schlechte Verarbeitbarkeit bedingte. Rein polymere Mischgarne hingegen sind wesentlich flexibler und konnten zu Druckkörpern verarbeitet werden. Die Anzahl der Umwindungen bzw. das Verhältnis von Kern- zur Schmelzefaser ist hierbei für die Durchführbarkeit entscheidend. Das Projekt konnte grundlegende Parameter für die Druckbarkeit der neuen Materialien identifizieren und die Machbarkeit des Druckverfahrens demonstrieren. Für die optimale Druckgeschwindigkeit, die die Druckgarne bereitstellen können, sind aber noch weitere Untersuchungen notwendig.