IKD / Werkzeugbau Weidemann: Rotatorische additive Ein- und Mehrkomponentenfertigung

15.03.2019

Die additive Fertigung von Bauteilen aus thermoplastischen Filamenten (Fused Filament Fabrication, FFF) ist eine bewährte Technologie, um klassisch 2½-dimensionale Bauteile in z-konstanter Fertigungsweise zu generieren. In einem Kooperationsprojekt des Instituts für Kunststofftechnik in Darmstadt (IKD) der Hochschule Darmstadt mit der Werkzeugbau Weidemann GmbH & Co KG, Oberaula, soll neben der klassischen 2½-dimensionalen Fertigung auf einer Druckplattform eine rotatorische Fertigung realisiert werden.

Die Besonderheit hieran ist, dass der Fertigungsuntergrund, beispielsweise ein Rohr, simultan zum Materialaustrag rotiert und somit ein Strang aus reaktivem Gemisch ausgetragen und abgelegt wird. Diese Fertigungsweise bietet die Möglichkeit, das Material kontinuierlich und simultan zum Materialaustrag durch eine zusätzliche Aktivierungsenergie zu vernetzen bzw. den Vernetzungsprozess gezielt zu kontrollieren. Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, den Vernetzungsprozess ohne zusätzliche Aktivierungsenergie rein chemisch ablaufen zu lassen.






Als Ausgangsmaterial kann bei diesem Verfahren entweder ein einkomponentiges reaktives Gemisch (links) oder alternativ ein mehrkomponentiges Gemisch (rechts) zum Einsatz kommen. Bei der mehrkomponentigen Variante handelt es sich in aller Regel um ein zweikompomponentiges Reaktivsystem, das zunächst im Prozess in einem statischen oder dynamischen Mischer vermischt werden kann.

Das kooperative Forschungsprojekt unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Roger Weinlein hat sich das Ziel gesetzt, diese Technologie bis Mitte 2020 in ein vorserienfertiges Stadium zu überführen. In Zusammenarbeit mit der Firma Werkzeugbau Weidemann entsteht so eine additive Fertigungsanlage der nächsten Generation. Die Entwicklung des rotationsymmetrischen und rotatorisch, asymmetrischen Bauprozesses hat sich Dr.-Ing. Jens Butzke mit seinem Team von Studierenden zum Ziel gesetzt.

Neben der Realisierung des Bauprozesses spielt insbesondere die Materialauswahl eine entscheidende Rolle. In einem Materialscreening zeigte sich schnell, dass Polyurethane, Silikone oder Epoxidharzsysteme ideale Ausgangsmaterialien zur Generierung der Bauteile darstellen. Die Materialien sollten nach dem Abmischen möglichst thixotrope Eigenschaften aufweisen. Dadurch sind sie in der Lage, der Schwerkraft beim Rotieren des Fertigungsuntergrundes, welcher beispielsweise aus einem Rohr besteht, standzuhalten und nicht die Form zu verlieren, bevor die Vernetzung seitlich oder an der gegenüberliegenden Seite der Austragseinheit erfolgt. Die abgelegten reaktiven Stränge haften im Idealfall formstabil an einer senkrechten Wand oder gar an einem Überhang von 180° (an der Unterseite des Rotationskörpers). Eine denkbare Variante ist auch der Einsatz eines festen oder pastösen Stützmaterials aus einer zusätzlichen Austragseinheit.

Mit dieser neuartigen Fertigungstechnologie ist es beispielsweise möglich, gezielt funktionelle Strukturen auf ein Halbzeug aufzubringen. Die Fertigung kann sowohl mit reaktivem Material als auch mit thermoplastischen Filamenten realisiert werden. In beiden Fällen besteht auch die Erwartung, Bauteilstränge frei im dreidimensionalen Raum verlegen zu können. Damit könnte beispielsweise das kontaktlose Ablegen von Strängen von einer Erhöhung des Bauteils zu einer anderen Erhöhung („Bridging“) gewinnbringend eingesetzt werden. Diese Brücken könnten die Generierung von nicht-rotationssymmetrischen Bauteilen wesentlich vereinfachen.

Insgesamt ist die Besonderheit des Verfahrens auch darin zu sehen, dass in unterschiedlichen Bereichen des Bauteils eine ungleichmäßige Zahl an Schichten aufgetragen werden. Dadurch können echte 3-dimensionale Strukturen erzeugt werden, die nicht durch umlaufende, sondern auch durch lediglich partiell aufgetragene Stränge abgebildet werden und somit funktionell sein können. Auf diese Weise könnte ein Flansch, eine Dichtung oder auch eine komplexe Struktur wie ein Schnapphaken erzeugt werden.

Durch die geschickte Kombination von Materialien könnte es zudem möglich sein, anhand der gezielten Inline-Mischung unterschiedliche Härten, Farbverläufe oder Dichten im Bauteil einzustellen. Dies könnte sowohl durch das Material selbst, das Füllmuster und die Füllstruktur oder Zusätze wie Füll- oder Verstärkungsstoffe, z. B. Glas- oder Carbonfasern realisiert werden.

www.h-da.de
www.werkzeugbau-weidemann.de

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