Kunststoff-3D-Druck Wie additive Fertigung mit variablen Schichthöhen gelingt

Quelle: IKV / Redakteur: Dorothee Quitter

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Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen hat ein Verfahren für die nicht-planare additive Fertigung von Kunststoffteilen entwickelt. Zum Einsatz kommt ein Gelenkarmroboter und ein Schneckenextruder.

Bei der nicht-planaren additiven Fertigung können die generierten Schichten frei im Raum angeordnet und gekrümmt sein. Die variable Schichthöhe wird dabei durch gezielte Variation des Materialaustrags erreicht.
Bei der nicht-planaren additiven Fertigung können die generierten Schichten frei im Raum angeordnet und gekrümmt sein. Die variable Schichthöhe wird dabei durch gezielte Variation des Materialaustrags erreicht.
(Bild: IKV )

Durch die schichtweise Herstellung von Bauteilen bietet die Additive Fertigung (AF) einen hohen Grad an geometrischer Freiheit. Schnell lassen sich Bauteile mit komplexen Geometrien und innenliegenden Strukturen ohne Rüstvorgänge in einer Anlage fertigen. Bisher sind diese Schichten immer planar ausgebildet und parallel zur Bauplattform angeordnet. Im Vergleich zu anderen Fertigungstechnologien zeigen schichtbasierte Verfahren dadurch Nachteile hinsichtlich der Oberflächenqualität der Bauteile (Treppenstufeneffekt). Die Haftung der einzelnen Schichten begrenzt die Belastbarkeit in Aufbaurichtung, sodass die mechanischen Bauteileigenschaften anisotrop sind. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde am IKV ein Extrusionsverfahren für die nicht-planare additive Fertigung von Kunststoffteilen mit variabler Schichthöhe entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit dieser Methode der Bahnplanung die Oberflächenrauheit im Vergleich zur konventionellen additiven Fertigung mittels Fused Deposition Modeling (FDM) um bis zu 76 % reduzieren lässt.

Gezielte Variation des Materialaustrags

Bei der nicht-planaren additiven Fertigung werden die exakte Bauteilform sowie die vorliegenden Lastfälle bei der Berechnung des Maschinencodes berücksichtigt. Die so generierten Schichten können frei im Raum angeordnet und gekrümmt sein. Dies gilt sowohl für die Schichten an den Bauteilaußenseiten zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Oberflächen als auch für alle Schichten innerhalb des Bauteils. Letzteres ermöglicht die gezielte Ausnutzung der technologiebedingten Anisotropie durch lastpfadgerechte Auslegung der einzelnen Kunststoffstränge. Die variable Schichthöhe, die durch gezielte Variation des Materialaustrags erreicht wird, ermöglicht hierbei den lückenlosen Übergang zwischen unterschiedlichen Krümmungen und Orientierungen.

Implementierung auf großvolumiger Schneckenextrusions-AF-Anlage

Hybride Fertigungszelle des IKV zur additiven Fertigung großvolumiger Bauteile. Hier soll die Implementierung der nicht-planaren Bahnplanung erfolgen.
Hybride Fertigungszelle des IKV zur additiven Fertigung großvolumiger Bauteile. Hier soll die Implementierung der nicht-planaren Bahnplanung erfolgen.
(Bild: IKV )

Um die Bauteilgröße, die Materialvielfalt und die Fertigungsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird nun die Implementierung der nicht-planaren Bahnplanung auf einer großvolumigen Schneckenextrusions-AF-Anlage, der Hybriden Fertigungszelle des IKV, untersucht. Der Roboterarm der Maschine ermöglicht einen großen Bauraum sowie die Nutzung von drei zusätzlichen Freiheitsgraden, die dazu verwendet werden, den Extruder entsprechend der zu fertigenden Steigung des Bauteils anzustellen. Auf diese Weise kann die Bauteilqualität weiter verbessert werden. Zusätzlich wird die Lastpfadanpassung bei großvolumigen AF-Bauteilen ermöglicht. Durch Verarbeitung von fasergefülltem Standardgranulat, das in Strangrichtung sehr gute mechanische Eigenschaften zeigt, und die gezielte Ausrichtung der einzelnen Stränge durch die nicht-planare additive Fertigung, kann die technologiebedingte Anisotropie vorteilhaft genutzt werden.

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