3D Druck Use Case: Leichtbau mit Hybridgarn

Einer der zahlreichen Vorzüge der 3D Druck Technologie ist zweifellos die damit verbundene Design-Freiheit, also die Möglichkeit, auch filigrane Formen zu fertigen, die so mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht möglich wären. Erfahren Sie in diesem Artikel, wie die TU Dresden mit 3D Druck einen Druckkopf entwickelt hat um den Leichtbau mit Hybridgarn zu ermöglichen.

Gerade dieses Potenzial eröffnete dem Prinzip des Leichtbaus völlig neue Möglichkeiten. Dazu gehört etwa die bereits von Leonardo da Vinci (1452-1519) entwickelte Philosophie der Bionik. Damit gemeint ist die Idee, Formen aus der Natur für technische Anwendungen nachzubauen. Ohne 3D Druck war dies, jedenfalls sofern es sich um filigranere Formen handelt, über Jahrhunderte schlichtweg nicht möglich.

Als konkreten Use Case aus dem Leichtbau möchten wir Ihnen nun eine Innovation der TU Dresden vorstellen.

Spezieller Druckkopf ermöglicht Leichtbau mit Hybridgarnen

Hierbei handelt es sich um einen System-Druckkopf für die Verarbeitung von Verstärkungsfasern aus Hybridgarn im 3D Druck-Verfahren, den Wissenschaftler am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden entwickelt haben. Hierfür nutzten die Dresdner Wissenschaftler den (auch aus dem Heimanwender-Bereich bekannten) FDM-Druck. Da die strukturellen Eigenschaften FDM-gedruckter Komponenten üblicherweise jedoch begrenzt sind mussten die Forscher sich etwas Spezielles einfallen lassen. Dies betraf den Umstand, dass im FDM-Druck normalerweise unverstärkte Thermoplaste Verwendung finden. Um endlosfaserverstärkte Thermoplaste verarbeiten zu können entwickelten die ILK-Forscher einen speziellen FDM-Druckkopf, welcher die spezifischen Eigenschaften von Faser-Verbundstoffen (im Hinblick auf deren Verarbeitung) berücksichtigt.

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Dieser neuartige FDM-Druckkopf ist nun tatsächlich in der Lage, endlich kommerzielle Hybridgarne im 3D Druck zu verarbeiten. Damit ist die Voraussetzung gegeben, um 3-dimensionale Modelle mit hohem Faservolumengehalt zu fertigen.

Der Weg zu komplexen und robusten Bauteilen aus dem 3D Drucker

Im nächsten Schritt entwickelten nutzten die ILK-Wissenschaftler ein Hybridgarn aus Glasfasern und Polypropylen als Verstärkungs- und Matrixkomponente. Auf diesem Wege gelang nun die die Herstellung endlosfaserverstärkter Strukturen mit immerhin bereits 35 Prozent Faservolumengehalt. Als nächstes ging es an die Verarbeitung. Hierfür nutzten die Forscher den neu entwickelten FDM-Druckkopf, um umfangreiche Prozessstudien durchzuführen. Dabei konnten sie bereits die relevanten elastischen Kennwerte und Festigkeiten bestimmen und somit eine Modellierungsstrategie zur Auslegung der neuen Werkstoffe erarbeiten.

Dank der so entwickelten Technologie ist nun möglich, flexibel komplexeste (und filigrane) Bauteile effizient und günstig zu fertigen, die gleichzeitig hohen mechanischen Beanspruchungen gerecht werden. Als erste Demonstrationsmodelle druckten die ILK-Forscher Biegeträger und Zugstreben, die sie sogleich testeten. Vor allem veranschaulichten diese Bauteile die Möglichkeit, verschiedene Faserorientierungen innerhalb derselben Schicht beanspruchungsgerecht umzusetzen und diese im Multi-Material-Design mit anderen Werkstoffen zu kombinieren.


Möchten Sie mehr über die Anwendungsmöglichkeiten von 3D Druck in verschiedenen Branchen erfahren?

Im folgenden Artikel erklären wir, in welchen Branchen 3D Druck ein Wettbewerbsvorteil sein kann und wo die additive Fertigung wohl (noch) nicht geeignet ist anhand von 3 Use Cases.

 

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