Auf dem Forschungscampus Arena2036 in Stuttgart hat ein Team um Patrick Springer vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA kürzlich einen neuen 3D-Drucker in Betrieb genommen. Im inneren des Druckers verfestigt ein ein Laserstrahl flächig aufgebrachtes Kunststoffpulver an genau festgelegten Stellen. Der Vorgang wiederholt sich Schicht für Schicht, bis das gewünschte Bauteil fertig ist. Dieser Druck-Prozess nennt sich Lasersintern.
Modifizierter 3D-Druckprozess
Wie die Forschenden mitteilen, unterschiedet sich der 3D-Drucker in der ArenaA2036 jedoch von anderen Druckern. Beispielsweise schmilzt ein der Faserlaser das Kunststoffpulver auf: „Er besitzt eine höhere Leistung und kann stärker fokussiert werden als die aktuell eingesetzten CO2-Laser“, erklärt Springer, der am Fraunhofer IPA das Forschungsteam Additive Prozesse für Thermoplaste leitet. „So kann die Anlage Bauteile mit exakten Abmessungen herstellen und das in kurzer Zeit.“
Zudem verwendet das Team Polypropylen-Pulver: „Dies ist mit kleinen Glaspartikeln versetzt verleiht dem fertigen Kunststoffbauteil mehr Steifigkeit. Es ist ein Material, das bislang noch nicht kommerziell erhältlich ist. Wir müssen den Druckprozess nun schrittweise so an das neue Material und seine Eigenschaften anpassen, damit er zuverlässig läuft und die gewünschten Geometrien produziert“, sagt Springer.
Springer erläutert zudem die Unterschiede des Sensors: „Er soll es uns erlauben, den Druckprozess quasi live zu beobachten“, sagt er. „Er erfasst die Signale, die reflektiert werden, wenn der Laserstrahl auf das Pulver mit den Glaspartikeln trifft. Daraus können wir hoffentlich ableiten, ob der Prozess korrekt abläuft oder Fehler auftreten. Wir arbeiten hier eng mit dem Sensorhersteller und der Universität Stuttgart zusammen.“
Wochen statt Monate?
Dieser Versuchsaufbau soll dazu beitragen, den Produktentstehungsprozess in der Automobilindustrie zu verkürzen und dessen Kosten zu senken. Bisher fertige die Branche nur Musterbauteile und Prototypen additiv, betonen die Forschenden. Funktionale Kunststoffbauteile aus Polypropylen für Vorserienfahrzeuge würden hingegen im Spritzgussverfahren hergestellt, weil es bisher keine Alternative gebe, Bauteile in der gewünschten Qualität herzustellen.
Für die Produktion mit Spritzguss müssen Spezialwerkzeuge von Zulieferern beschafft werden. Bis die ersten Bauteile produziert und getestet worden sind, können mehrere Monate vergehen. „Mit der Additiven Fertigung könnte es nur noch zwei bis drei Wochen dauern, bis die Bauteile verfügbar sind“, sagt Spriner. „Die Entwickler können die eingesparte Zeit nutzen, um das Bauteil entweder weiter zu optimieren, oder es schneller auf den Markt zu bringen. Und für die Serie wird dann in größeren Stückzahlen wirtschaftlich mit einem Werkzeug produziert.“ Nach Ansicht der Forschenden wird es allerdings noch mehr als ein Jahr verstreichen, bis das möglich ist.
Bauteile aus dem 3D-Drucker in Spritzguss-Qualität
Mark Becker, einer von Springers Kollegen, tastet sich derzeit an die optimalen Prozessparameter heran. Er beginnt mit einfachen Bauteilen, fertigt sie immer genauer und hochwertiger, bis sie die notwendige Qualität erreicht haben. Dann wagt er sich an das nächst-komplexere Bauteil heran. Dafür nutzt er den neuen industriellen 3D-Drucker in der Arena2036, der einen vergleichsweise großen Bauraum besitzt und mit zwei Faserlasern ausgestattet ist. „Deshalb kann die Maschine auch große Teile in kurzer Zeit bauen. Die Entwicklung von geeigneten Prozessparametern zur Verarbeitung neuer Kunststoffe ist dafür besonders wichtig“, sagt Becker.
