KMU die additive Fertigung von Kunststoffen auch wirtschaftlich nutzbar zu machen und damit Mitteldeutschland als „3D-Druck-Region“ zu etablieren: Mit diesem Ziel hat sich das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS mit 15 Partner im Projekt „AddiQ“ zusammengeschlossen.
Der weltweite Umsatz mit additiver Fertigung hat 2022 fast 10 Milliarden Euro betragen – die jährlichen Wachstumsraten liegen bei rund 20 Prozent. Schnelle Herstellungszeiten und grosse geometrische Gestaltungsfreiheiten prädestinieren 3D-Druck unter anderem für die Herstellung von Bauteilen in kleinen Stückzahlen.
Eine Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigung ist allerdings die Qualitätssicherung. Sowohl für die Herstellungsverfahren als auch für die damit produzierten Bauteile liegen oft noch keine ausreichenden Erfahrungswerte, Messmethoden und Standards vor. Das will das Forschungsvorhaben „Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung (AddiQ)“ nun ändern. Insgesamt 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft haben sich darin zusammengeschlossen, mit dem Ziel einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil für Unternehmen in Mitteldeutschland zu schaffen. So soll mittelfristig rund um Halle und Merseburg eine 3D-Druck-Kompetenzregion mit nationaler und internationaler Ausstrahlung entstehen.
Einführung additiver Technologien erleichtern
„Den Unternehmen vor Ort wollen wir Softwarelösungen zur Verfügung stellen, die eine Dokumentation und automatisierte Auswertung von Prozessdaten ebenso möglich machen wie Vorhersagen der Bauteilqualität und die Integration der verschiedenen Systeme entlang der Prozesskette. Wenn das gelingt, erleichtern wir damit die Einführung additiver Technologien und verbessern deren Performance“, sagt Dr.-Ing. Patrick Hirsch, der die Aktivitäten des Fraunhofer IMWS in „AddiQ“ gemeinsam mit Dr.-Ing. Ralf Schlimper koordiniert. So ermögliche dies regional produzierende Unternehmen durch qualitätsgesicherte additive Verfahren hochwertige und fortschrittliche Produkte wirtschaftlich und mit hohem Automatisierungsgrad herzustellen und in die Produktion zu überführen.
Hochbelastbare Bauteile für das Transportwesen
Das Institut ist innerhalb des Konsortiums in zwei Teilprojekten aktiv. Im Projekt „Qualitätsgerechte Herstellung von obsoleszenten Bauteilen für das Transportwesen mittels generativer Verfahren“ entwickeln die SLV Halle GmbH, das Institut für Kunststofftechnologie & -recycling e.V. (IKTR) aus Weissandt-Gölzau und die studio.201 software GmbH aus Magdeburg Lösungen für hochbelastbare, additiv gefertigte Bauteile für das Transportwesen, um Ausfallzeiten von komplexen Grossgeräten wie Werkzeugmaschinen, Triebwagen, Waggons, Schiffen und Flugzeugen zu reduzieren.
So bestehen Bahnwaggons beispielsweise aus einer Vielzahl von Baugruppen und Komponenten. Ist ein Element davon defekt und kann – etwa, weil Lieferengpässe bestehen, Hersteller nicht mehr existieren oder ihre Produktpalette verändert haben – nicht unmittelbar ausgetauscht werden, fällt der gesamte Waggon aus, obwohl alle anderen Bauteile noch intakt sind. Hier bietet sich der 3D-Druck an, um schnell passende Ersatzteile herzustellen, auch als Einzelstücke.
Schwerpunkt des Fraunhofer IMWS wird dabei die Sensorierung des Fused Granulat Fabrication (FGF)-Druckprozesses sein. Die dabei gewonnen Daten ermöglichen den extrusionsbasierten Prozess der Bauteilfertigung zu verstehen und darüber hinaus die Parameter bei der Herstellung über Ansätze des maschinellen Lernens zu optimieren und anzupassen. Im Abschluss erfolgt sowohl eine umfassende werkstoffmechanische und morphologische Bewertung der im Projekt entstandenen Demonstratoren als auch ihrer Qualität sowie eine Lebenszyklusbewertung des Bauteils.
Leichte Orthesen additiv fertigen
Im zweiten AddiQ-Teilprojekt des Fraunhofer IMWS stehen in Zusammenarbeit mit der SLV Halle GmbH und der Automation, Sonder- und Werkzeugmaschinen ASW GmbH aus Naumburg multiaxiale additiv gefertigte Bauteile für die Orthetik im Mittelpunkt. Solche medizinischen Hilfsmittel werden im Idealfall massgefertigt und an die individuelle Körperform angepasst. Ergebnis des Teilprojekts soll eine Unterschenkel-Orthese sein, die aus einem Materialverbund mit einer Kontaktseite zum Körper (Polyethylenterephthalat), einer versteifenden Struktur (PA) und faserverstärktem Material (PA und Faser) besteht. Herausforderungen sind neben dem 3D-Druck mit verschiedenen Materialien die Qualitätsanforderungen an Masshaltigkeit, mechanische Stabilität und Tragekomfort.
Die Projektpartner setzen dabei auf Fused Deposition Modeling (FDM)-Druckköpfe und die Verstärkung mittels lastpfadgerecht abgelegten Endlosfasern in einem Drucksystem. Die kraftschlüssige Anbindung der thermoplastisch umhüllten Endlosfaser an die vorher im selben Bauraum gefertigte Grundstruktur der Orthese soll durch gezieltes lokales Erwärmen mit einem Laser erfolgen. Zu den Projektzielen gehört zudem eine umfassende Sensorierung der multiaxialen Steuerungssysteme der Drucker – auch, um auf Basis der gewonnenen Daten eigene Standardisierungsverfahren für Orthesen mittels 3D-Druck ableiten zu können.