Fraunhofer ICT hat 3D-gedruckten Thermoplastschaum entwickelt
Dem Fraunhofer ICT ist es gelungen, Thermoplastschäume mit sehr geringer Dichte zu entwickeln. Mit Hilfe des 3D-Drucks lassen sich aus diesen Leichtbauteile herstellen. Wissenschaftler des Frauenhofer IPA haben nun speziell für das Aufschäumen von Materialien bei der additiven Fertigung eine Verschlussdrüse entwickelt, die die bisherigen Schwierigkeiten bei der Schaumherstellung aufhebt und darauf bereits ein Patent angemeldet.
Die Möglichkeiten der additiven Fertigung sind vielseitig und die Liste der Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren lang. Für die Produktion individuell gestalteter Teile oder einzelner kleiner Einheiten ist der 3D-Druck eine innovative und relativ günstige Technik. Zudem lässt sich mit Hilfe der additiven Fertigung die Produktionszeit reduzieren. Die möglichen Anwendungsbereiche der additiven Fertigung und die Anzahl der verwendbaren Materialien steigen immer weiter. Das Fraunhofer IPA sieht auch Potential in der Anwendung des 3D-Drucks im Verkehrssektor. Dort bieten sich gewichtssparende Verpackungen im Güter-Transport an, die zu einer Einsparung von Energie und CO2-Emissionen führen. Für die Herstellung von leichten Verpackungsmaterialien sind Schäume gut geeignet, da aus ihnen individuell anpassbare Verpackungen herstellbar sind und Schäden an der zu transportierenden Ware somit vermieden werden können. Allerdings findet Schaum auch zur Produktion außerhalb des Verkehrssektors Anwendung, beispielsweise für personalisierte Rollstuhlsitzpolster. 3D-gedruckte Schaumteile ließen sich bisher jedoch nicht mit der benötigten Dichte herstellen. Diese Schwierigkeit hat das Fraunhofer ICT nun jedoch überwinden können.
Bild: Fraunhofer ICT (Bauteil aus Schaumstoff)
Der 3D-Druck ermöglicht geringere Schaumdichten
Den Wissenschaftlern der Fraunhofer IPA ist es gelungen, die Materialien in 3D-Druckern in einem so hohen Maße aufzuschäumen, dass ihre Dichte nur fünf Prozent der Dichte des Vollmaterials betrug, nämlich 52 kg/m³. Nach Äußerung der Forscherinnen und Forscher lässt sich hierbei die Schaumdichte über Druckparameter wie die Temperatur in einem ausgedehntem Wertebereich steuern. Die Optionen für Produkte, die mit Hilfe der additiven Fertigung hergestellt werden sollen, sind also enorm. Zudem erhöht die Verwendung von Schaum die wirtschaftliche Effizienz deutlich, da die volumenbezogenen Druckzeiten eines aufgeschäumten Teils deutlich geringer sind als die eines gedruckten Vollmaterials. Bauteile gewinnen im Laufe des Druckprozesses nämlich ein etwa 20-faches Volumen im Vergleich zu ihrem Ausgangsniveau. In vorherigen Verfahren hatten Schäume eine deutlich höhere Dichte. Das neu entwickelte Verfahren reduziert zudem die verwendete Menge an Material deutlich. Das Ganze wird durch die vom Fraunhofer-Team neu entwickelte Verschlussdüse ermöglicht, die die Schaumentstehung befördert durch die automatisierte Unterbrechung des Schaumflusses an festgelegten Punkten. Die Aussetzer konnten nun Dank einer Hochnadel und eines Federmechanismus implementiert werden.
Linkes Bild: Fraunhofer ICT (REM-Aufnahme eines Schaumstranges als Detailbild), Rechtes Bild: Fraunhofer IPA (Prototyp einer Verschlussdüse für 3D-Drucker)
Bevor das Team der Fraunhofer diese neue Verschlussdüse entwickelt hatte, mussten die Bauteile auf mühsame Weise manuell im Nachgang überarbeitet werden. Die flüssigen Kunststoffmaterialien flossen nämlich ohne die nun festgelegten Aussetzer aus der Düse. Diese Flüssigmaterialien, die für die additiven Fertigungsverfahren des „Fused Layer Modelling“ und „Fused Filament Fabrication“ verwendet wurden, besaßen eine minimale Dichte von 80kg/m³. Der Schaum wurde hierbei während des Druckvorgangs ebenfalls im 3D-Drucker durch mit chemische Treibmittel aufgeladene Filamente, nämlich Polylacticacid (PLA), aufgeschäumt. Die Schäume, die hierbei entstanden, hatten jedoch eine sehr hohe Dichte von etwa 430 Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³), was 35% der Dichte des Kompaktmaterials entsprach. Das Fraunhofer ICT verwendet nun ebenfalls die Methode der Extrusion, jedoch versetzt es die Filamente auf eine andere Art und Weise mit Treibmitteln und hat das neue Vorgehen bereits an einer Reihe verschiedener Materialien getestet. Dazu gehören PLA, Cellulose-Propionat (CP) und Polystyrol (PS). Das neue 3D-Druckverfahren öffnet ganz neue Wege. Nun sind nämlich verschiedene Bauweisen kombinierbar. Im Leichtbau-Bereich werden häufig Konstruktionen verwendet, die eine niedrige Dichte und hohe mechanische Merkmale besitzen. Beispielsweise lassen sich mit der neuen Technik im Rahmen eines zyklischen Druckvorgangs Anordnungen herstellen, die einen Schaum-Kern im Inneren des Bauteils mit feinen Deckschichten, bestehend aus Vollmaterial, an der Außenseite des Teils verbinden. Diese Strukturen werden auch als Sandwichkonstruktionen bezeichnet.
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Titelbildnachweis: Fraunhofer ICT
