Kostensenkung im Endlosfaser-3D-Druck: Innovationen und Strategien

Das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik (Braunschweig, Deutschland) ist eine führende Forschungseinrichtung im Leichtbau und verfolgt neue Technologien in vier strategischen Feldern: Design-to-Certification, Digitalisierung und Industrie 4.0, Recycling und additive Verbundwerkstoffstrukturen. CW berichtete bereits in diesem Jahr über das EmpowerAX Innovation Lab des Instituts zur Beschleunigung, Stärkung und Verbreiterung des Transfers der additiven Extrusion in die Industrie für 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe. Das Institut schließt auch eine Reihe von F&E-Projekten ab, darunter Simulation der additiven Extrusion, Modifikation von Thermoplasten für verbesserte 3D-Druckleistung und Herstellung von Druckerfilamenten mit Endlosfasern.

Dieses letzte Projekt, betitelt ENDLOSEFFEKT („endloser Effekt“), zielt darauf ab, Herstellbarkeit, Qualität und Kosten von endloslangen faserverstärkten Materialien zu verbessern. „Die Verfügbarkeit von vorimprägnierten Endlosfaser-Druckfilamenten ist begrenzt“, erklärt Maik Titze, verantwortlich für additive Fertigung am DLR-Institut in Braunschweig. „Diese begrenzte Verfügbarkeit und Vielfalt nutzbarer Materialien sowie die Materialpreise stellen eine Anwendungsbarriere dar. Wir wollten eine Imprägnierdüse entwerfen, damit dieselbe Ausrüstung, die zur Herstellung standardmäßiger, kurzfasergefüllter Filamente für FDM [Fused Deposition Modeling] verwendet wird, auch Endlosfaser-verstärkte Filamente produzieren kann. Diese Ausrüstung wäre für Unternehmen, die 3D-Druckerfilamente herstellen, mit dem Ziel, die Kosten für 3D-Druck mit Endlosfaser-verstärkten Materialien zu senken.“

Derzeit werden die meisten Endlosfaser-verstärkten 3D-Druckerfilamente von denselben Unternehmen hergestellt, die auch Endlosfaser-Druckmaschinen verkaufen, wobei jedes Material für ein bestimmtes Drucksystem entwickelt und optimiert wird. Diese Materialien tendieren dazu, etwas kostspielig zu sein.

„Unsere Idee ist es, mit jeder trockenen Fasergröße zu beginnen, beispielsweise 1K-Kohlefasergelege bis 50K, und dann direkte Schmelzimprägnierung aus handelsüblichen Thermoplast-Granulaten per Extrusion zu nutzen, weil dies sehr kosteneffektiv ist“, sagt Titze. „Man muss kein Polymerpulver oder Folien herstellen, noch teure Pressen oder hunderte Walzen einsetzen, um die Faser zu imprägnieren. So wird der Prozess viel zugänglicher und erschwinglicher.“

Statt Pressen, Bändern und Walzen entwickelte das DLR ein System mit Ultraschall. „Wir nutzen einen 19,5-Kilohertz-Sonotrod, der Schwingungen in das geschmolzene Thermoplast leitet, das die Faser umgibt“, erklärt Titze. „Dies die Matrix und Verstärkung bei 19.500 Mal pro Sekunde, was zu sehr guter Imprägnierung führt.“

Der Prozesspfad beginnt mit Faserspreizen und Erhitzen (Abb. 1). Diese Verstärkung wird dann in eine versiegelte Kammer geführt, in die das geschmolzene Polymer injiziert wird. Während die Faser durch diese Kammer läuft, umhüllt geschmolzenes Harz die Faser. „Faser und Polymer gelangen dann in eine Ultraschallkammer, die mit 80 Millimetern Länge sehr klein und kompakt ist“, merkt Titze an. „Die vom Sonotrod ausgesandten Schwingungen imprägnieren das faserverstärkte Polymerfilament, das dann in der gewünschten Form die Düse verlässt. Die Düse kann beispielsweise rund oder flach sein.“

Die Mikrographien in Abb. 2 zeigen 12K-Kohlefaser, imprägniert mit Polylactid (PLA), Polyamid (PA) und Polyetherimid (PEI) bei 50 % Faseranteil. Der Faseranteil ist einstellbar (30–50 %) durch das Design der Düsendüse, sagt Titze. „Wir glauben, bis zu 60 % werden möglich sein. Insgesamt ist noch mehr Arbeit am Prozess nötig, aber wir haben gezeigt, dass er mit guten Anfangsergebnissen und einer Liniengeschwindigkeit von 5– Millimeter/Sekunde funktioniert.“ Er räumt ein, dass dies langsam und nicht wirtschaftlich ist, aber ein neues Anlagendesign sollte im Juni getestet werden, das bereits 3 Meter/Minute erreichen soll.

„Typischerweise wären Geschwindigkeiten näher an 10 Meter/Minute“, sagt Titze. „Die Technologie beabsichtigt jedoch auch, flexible Produktion neuer Materialkombinationen zu ermöglichen, sodass eine etwas geringere Geschwindigkeit helfen könnte, kleinere Produktionsläufe erschwinglich zu machen.“

Der von DLR entwickelte Prozess ist nicht selektiv auf ein Material – jede Faser oder jedes Polymer kann verwendet werden, sagt Titze. „Das ist wichtig, da Prozesse weiter hybridisieren und neue Materialien benötigt werden. Materialien für 3D-Druck müssen wettbewerbsfähiger werden, oder Endlosfaser-3D-Druck wird keine große Zukunft haben. Durch die Verwendung von Thermoplast-Granulaten können wir die Kosten erheblich senken und die Ausrüstung passt in einen kleinen Installationsraum, sodass sogar kleine Unternehmen sie implementieren können.“

Das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik startete dieses Projekt im Oktober 2019 und wird es im Januar 2022 abschließen. „Unser Ziel ist es, die Technologie weiter zu miniaturisieren und in einen Druckkopf zu integrieren“, sagt Titze. „So wäre dies direkte Imprägnierung inline mit dem Druck. Beide Ansätze werden in die Industrie transferiert.“ Er erklärt, dass DLR als staatliche gemeinnützige Einrichtung nichts „verkaufen“ wird und daher keine exklusiven Rechte beansprucht. „Unser Ziel ist es, Druckkopflieferanten einzubinden, um Materialpreise branchenweit zu senken und die industrielle Anwendung der additiven Endlosfaserfertigung zu verbreitern.“