Additive Fertigung

Additive Fertigung bietet gute Perspektiven für Composites-Industrie

Der Markt für additive Fertigungsverfahren (AF) entwickelt sich rasant. Von der Erstellung der Prototypen (Rapid Prototyping) über den Werkzeug- und Formenbau (Rapid Tooling) bis zur Serienfertigung von Bauteilen (Rapid Manufacturing): die gemeinhin auch als 3D-Druck bekannte Produktionsmethode bietet enorme Wachstumspotenziale.

Der globale Umsatz von AF-Gütern hat sich zwischen 2003 und 2014 beinahe verachtfacht. Auch für die kommenden Jahre wird von einem weiteren exponentiellen Anstieg ausgegangen, heißt es in einer Studie, die die VDI / VDE Innovation + Technik GmbH im Jahr 2016 im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums herausgegeben hat. Die Untersuchung „Additive Fertigungsmethoden – Entwicklungsstand, Marktperspektiven für den industriellen Einsatz und IKT-spezifische Herausforderungen bei Forschung und Entwicklung“ beziffert den Anteil deutscher Unternehmen am globalen Umsatz mit AF-Gütern für das Jahr 2010 mit 15 bis 20 Prozent, was rund 260 Mio. US Dollar entspricht.

Enormer Wachstumstrend für Desktop-3D-Drucker

Ein weiteres Indiz für die enormen Chancen der Branche sind die jährlichen Verkaufszahlen von industriellen 3D-Druckern und Desktop-3D-Druckern, die seit 2010 in die Höhe geschnellt sind. Laut der Studie sei seit 2011 zu beobachten, dass insbesondere Desktop-3D-Drucker einen rasant steigenden Absatz erfahren. „Während sich die Anzahl der verkauften industriellen 3D-Drucker zwischen 2010 und 2014 verdoppelte, haben sich die Verkaufszahlen von Desktop-3D-Druckern sogar mehr als verzwanzigfacht“, heißt es. Auch in Deutschland ist demnach ein ähnlicher Trend zu beobachten. Hier hat sich der Absatz von industriellen 3D-Druckern zwischen 2010 und 2014 mehr als verdreifacht.

Für die Composites-Industrie bietet der Markt der additiven Fertigung ebenfalls gute Perspektiven. Laut Analyse bleiben neue Materialien und Werkstoffe ein entscheidender Treiber für die zukünftige Etablierung der additiven Fertigung. Eine Sonderstellung nehmen Verbundmaterialien ein. Gemeint sind damit in erster Linie faserverstärkte Pulver oder Filamente. Diese werden allerdings bisher nur vereinzelt auf dem Markt angeboten oder sind noch nicht bis zur Marktreife entwickelt worden.

3D-Druck auch mit Verbundwerkstoffen möglich

Eine Vorreiterrolle spielt hierbei das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart. Bereits 2016 gelang es den Wissenschaftlern mit der Entwicklung des „3D Fibre Printer“ die Voraussetzungen zu schaffen, Verbundwerkstoffe als Druckmaterial zu verwenden und damit den Einsatz hochfester Leichtbaumaterialien in der additiven Fertigung zu ermöglichen. Dank dessen neuartiger Düse können Endlosfasern direkt beim Drucken in den Kunststoffstrang integriert werden. Damit lassen sich erstmals Composites verdrucken.

Weil Endlosfasern statt Faserabschnitte im Werkstoffverbund verwendet werden, erhält das Bauteil zusätzliche Stabilität. Damit könne laut Fraunhofer-Institut, gegenüber den heute in der additiven Fertigung eingesetzten Kunststoffen, eine um etwa das zehnfache höhere Festigkeit erreicht werden. Zudem lasse sich mit der Technologie die für den 3D-Druck geeignete Werkstoffpalette signifikant erweitern. Möglich seien alle Thermoplast-Materialien, die sich mit der Düse aufschmelzen lassen, sowie die Kombination mit zahlreichen Fasern, darunter Glas, Aramid oder Kohlenstoff. Auch die Verarbeitung biobasierter Kunststoffe und Naturfasern sei möglich.

Neues Verfahren: Additives Freiformgießen

Darüber hinaus haben die IAP-Forscher ein neues Verfahren entwickelt, das die Vorzüge von 3D-Druck und Spritzguss vereint. Dazu haben sie den additiven Prozess mit einem Gießverfahren kombiniert. Beim so genannten „additiven Freiformgießen“ wird erst die Hülle des Bauteils mit FLM-Druck (Fused Layer Modelling) aus dem wasserlöslichen Kunststoff Polyvinylacetat (PVA) hergestellt und anschließend automatisch mit einer präzise dosierten Menge Zwei-Komponenten-Harz (PUR oder Epoxidharz), befüllt, das schnell trocknet. Das spart Zeit, steigert die Stabilität des Bauteils und ermöglicht es, neue Materialien zu verdrucken.

Nach der Trocknung kann das Bauteil mit dem gleichen Prinzip beliebig in die Höhe erweitert werden. Sobald der Prozess abgeschlossen und das Bauteil ausgehärtet ist, wird die Form im Wasserbad entfernt. So entsteht ein 3D-gedrucktes Werkstück mit Eigenschaften, die denen des Spritzgusses ähneln. Um das Füllmaterial in die Hülle zu gießen, haben die IPA-Forscher eine spezielle Dosiereinheit für 2K-Materialien im 3D-Drucker verbaut. Damit sei es möglich, das gesamte Verfahren – also den Druck der Hülle und die Füllung „am Stück“ durchzuführen. Der Druckprozess muss nicht unterbrochen werden und lässt sich wie beim herkömmlichen 3D-Druck vollständig digitalisiert steuern.

Zu den Vorteilen des Verfahrens gehört auch, dass Zwei-Komponenten-Harze verarbeitet und hitzebeständige Duroplaste als Baumaterial eingesetzt werden können. Darüber hinaus ist das Bauteil viel schneller aufgebaut und zudem deutlich stabiler, weil das Material die Form komplett ausfüllt und somit keine porösen Stellen oder Lufteinschlüsse entstehen. Die neue Methode eignet sich nach Angaben der Wissenschaftler für verschiedenste Anwendungsbereiche und Branchen, darunter elektrisch isolierende Bauteile wie Steckdosen oder Schäume und Polster, wie sie bei Sicherheitselementen benötigt werden.