DLR stellt EmpowerAX vor: Pionierplattform für industrielles Continuous-Fiber-3D-Drucken

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) treibt Innovation in Bereichen von Trägerraketen und Flugzeugen bis zu Digitaltechnologien und Next-Gen-Mobilität voran. Im Composites-Bereich hat es Technologien von Thermoplast-Composite-Schweißen und Flüssigharz-Infusion von Primärluftfahrtstrukturen bis zu Composites 4.0 intelligenten Produktionssystemen vorangetrieben.

Nun zielt das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik (Braunschweig) darauf ab, den 3D-Druck von Endlosfaser-Composites zu industrialisieren, indem es eine bedarfsorientierte, branchenübergreifende, globale Plattform für Technologieanwender und -anbieter der Additiven Extrusion etabliert: EmpowerAX.

DLR präsentierte EmpowerAX auf der ITHEC 2020; ich sprach mit Xenia Stumpf und Maik Titze vom DLR. Hier teile ich meine Erkenntnisse.

Konzepte für direkte Faserintegration im Composites-3D-Druck. Quelle: Alexander Matschinski, Virtual Symposium on AFP and AM, TU München, Chair of Carbon Composites (LCC), Sep. 2020. Bildnachweis: „3D printing with continuous fiber: A landscape“, CW Okt 2020.

Warum Additive Extrusion?

„Wir entwickeln Faserimprägniertechnologien mit Thermoplasten für industriellere, kosteneffizientere Produktion“, erklärt Maik Titze, verantwortlich für Additive Fertigung am DLR-Institut in Braunschweig. „Dazu gehören Design eigener industrieller Druckköpfe und Methoden für Material- und Prozessanalyse und -test.“ Er betont: Additive Extrusion mit Endlosfasern bietet nicht nur höhere Festigkeit und Steifigkeit, sondern auch Integration von Sensorik und elektrischen Funktionen. Sie kombiniert Thermoplaste und Endlosfasern zu multifunktionalen Strukturen, vermeidet hohe Werkzeugkosten, verbessert Produktionseffizienz und ermöglicht neue Designs.

„Additive Fertigung wird nicht alle konventionellen Composite-Prozesse ersetzen“, räumt Titze ein, „aber sie kann mit Prozessen wie AFP oder Filamentwickeln kombiniert werden, um neuartige Lösungen und Wert zu schaffen. Da wir nur mit Endlosfaser-3D-Druck arbeiten, ist EmpowerAX stark fokussiert – was hohe Resultate ermöglicht. Innerhalb der Additiven Extrusion ist EmpowerAX technologieneutral. Wir pushen keine spezifischen Technologien.“

Globale, diversifizierte Plattform

„Aktuell ist schwer zu verstehen, welche Technologien für die eigene Anwendung geeignet sind und was nötig ist, um sie an die industrielle Umgebung anzupassen“, führt Titze aus. „Unser Ziel: das Spektrum des Verfügbaren betrachten – Anbieter und Anwender – und eine diversifizierte Plattform über Marktsektoren hinweg aufbauen: Luftfahrt, Automotive, Medizintechnik, Industrie etc. EmpowerAX ermöglicht neutrale Technologiebewertung; wir arbeiten mit Industrie an Standardisierungs- und Qualifizierungsmaßnahmen, um Nutzung zu erleichtern. Nicht neue Normen mit Anbietern/Nutzern entwickeln, sondern vereinbaren, wie Technologiebewertung erfolgt und welche Performance-Indikatoren genutzt werden.“

EmpowerAX-Mitgliedschaft ist freiwillig und global. Englisch ist Arbeitssprache. Aktuell >30 Mitglieder: Technologieanbieter und -großnutzer. „Wir sind intern für bis zu 6 Mitarbeiter/Jahr finanziert“, sagt Titze. „Sie unterstützen die Plattformwartung. Mitglieder haben vereinbart, Informationen nur untereinander, nicht öffentlich zu teilen. Mitgliedschaft ist derzeit kostenlos, aber nur für Organisationen, die bereits mit additiver Extrusion von Endlosfasern involviert sind. Nach Mai 2021 öffnen wir weiter. Einzige weitere Anforderung: Man muss bereit sein, Informationen zu teilen und beizutragen. Keine passive Mitgliedschaft.“

Technologie-Screening-Stufen

Ziel ist nicht nur Technologietransfer in Composite-erfahrene Branchen, sondern EmpowerAX als Enabler zur Markt- und Anwendungserweiterung für Composites. „Beispiel Medizintechnik: Welche speziellen Anforderungen? Was muss getan werden? Wie Qualität sichern für industrielle Produktion?“

EmpowerAX schlägt einen stufenweisen Ansatz vor (Diagramm oben). „Stufe 1: Technology Screening“, so Titze. „Wenn ein potenzieller Nutzer prüfen will, ob eine Technologie für seine Anwendung passt, betrachten wir geometrische Limitationen, Produktionsvolumen, Teile/Funktionsintegrationsanforderungen etc. Wir einigen uns mit allen Mitgliedern auf eine Preset-Liste von ~15 Parametern (spezifische Festigkeit/Steifigkeit etc.) und prä-identifizieren Eignung der Technologien je nach Anwendungsanforderung. Dazu kooperieren wir mit Material-/Technologieanbietern für Standardparameterdaten und bewerten sie vorab. Aus 10 Lösungen kann man in Stufe 1 auf vielleicht drei downselecten und Daten vergleichen.“

Stufe 2: Evaluierung spezifischer Anforderungen. Z. B. bei Schienen- oder Flugzeuginnenraum: Feuer-, Rauch-, Toxizitäts- (FST-) Parameter nötig. „Danach definieren wir, ob Anpassungen nötig sind, um jede Technologie für die Anwendung tauglich zu machen, und bestimmen den Aufwand.“

Ziel: Quantifizierung, wie Finalist-Technologien für eine Anwendung in Machbarkeit und Transferaufwand (Zeit/Kosten) abschneiden. „Nach diesen Evaluierungsstufen ist es einfach zu verstehen, welche Schritte für jede Technologie nötig sind. Für Anbieter: schnellerer Technologietransfer in neue Märkte, reduzierter Investitionsaufwand, Identifikation echter Business Cases, wo sie Stärken haben.“

Standardisierung und Qualifizierung

Ein weiterer Kern von EmpowerAX: Reifung additiver Extrusionstechnologien via Standardisierung und Qualifizierung. „Wir haben untersucht, welche Standards existieren und für diese Technologien funktionieren – z. B. in ASTM, ISO, VDI (deutsche Regierungsstandards)“, sagt Titze (siehe Animationsbild). „Es geht um Standardtests: was funktioniert, was nicht, welche Modifikationen nötig. Arbeit, die die meisten Firmen vermeiden – mühsam, zeitaufwändig, teuer. Besser für die Industrie, wenn nicht alle diese Anstrengungen replizieren. Unser Ziel: schnellere Standards für höhere Reife, aber mit breitem Industrie-Input und Transparenz zur Industrie.“

„Zudem: Kombiniert man eine bestimmte additive Extrusionstechnologie mit anderen Prozessschritten, braucht man Integration und QS-Standards – inkl. ZfP, Sensorik, Software. Wir haben begonnen, einen Katalog möglicher Fehler und Prozessabweichungen zu erstellen. Wie vermeiden/erkennen? Was bei Auftreten tun? Daraus Datenbank für ZfP- und Prozessüberwachungsoptionen aufbauen.“

Zeitplan für EmpowerAX

„Erstes Ziel: Rahmen für das heute industriell Verfügbare schaffen“, sagt Titze. „Wir versuchen nicht, das System-Spektrum weiter zu öffnen, sondern zeigen, was da ist und wie nutzbar. Wir glauben, systematisches Testen und Evaluieren bringt Verbesserungen. Auch Nutzen, darzustellen, was mit aktuellen Technologien möglich ist. Indem wir Hindernisse identifizieren, können wir diskutieren, wie sie zu überwinden sind – was weitere Verbesserungen und Reifung bringt.“

„Wir sehen additive Extrusion als potenziell einfacheren Einstieg für Composite-Neulinge vs. Autoklav- oder Infusionsprozesse“, merkt Titze an. „Auch gut abgestimmt für industriellere Ergebnisse. EmpowerAX adressiert Hindernisse, die additive Extrusion-Composites bisher verhinderten. Aktuelle Mängel: Prozesswiederholbarkeit und -stabilität. Technologie wurde relativ schnell auf den Markt gedrängt, Bereiche noch nicht reif für breite Nutzung. Genau das bearbeiten wir: zeigen, was geht und was nötig ist, dann kollaborativ abarbeiten – Technologien und erfolgreiche Industrieanwendungen voranbringen.“

Mehr Informationen unter .de