Recycling und Produktion spielen sich häufig nicht in die Hände. Gerade komplexe Bauteile, die aus mehreren Materialien bestehen oder zahlreiche Eigenschaften vereinen, stellen sowohl in der Produktion als auch bei der anschließenden Entsorgung Herausforderungen dar. Das Fraunhofer IPA und Fachleute der Universität Bayreuth haben sich dieser Challenge angenommen und stellen mithilfe von additiver Fertigung Teile her, die recycelbar, komplex, teilweise lichtdurchlässig sind und durchgängig aus einem Material bestehen. Und das Ganze in einem Fertigungsschritt!
Gerade im Automobilbereich finden wir zahlreiche Elemente, welche Licht-Kontraste aufweisen. Zum Beispiel Tasten und Knöpfe mit hellen Symbolen auf dunklem Untergrund, die bei nächtlichen Lichtverhältnissen oder in Gefahrensituationen leuchten oder blinken. Man denke dabei zum Beispiel an diverse Warnsignale am Armaturenbrett, an das Radio, die Klimaanlage oder High-Tech Dekorationen für das Ambiente beim Autofahren. So schick, nützlich oder unerlässlich diese Teile auch sind, die Herstellung ist tatsächlich mit diversen Problematiken verbunden. In der Regel kommen dabei mehrere Materialien mit unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeiten zum Einsatz, die in Teile mit verschiedenen Dicken münden. Diese müssen aufwendig gefertigt werden und erfordern mehrere Prozessschritte. Ist das Teil dann gefertigt und hat es seinen Dienst erwiesen, stellt sich die Frage nach dem Recycling. Ein weiteres Problem!
Die Entsorgung muss bereits bei der Produktion von Bauteilen mitgedacht werden.
Durch 3D-Druck ökonomisch und ökologisch fertigen
Ohne Problem keine Lösung, und genau diese haben die Fachleute der Projektgruppe Prozessinnovation des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und des Technologie Impact Hub des Lehrstuhls Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth gefunden. Das Team aus beiden Einrichtungen setzt auf die additive Fertigung, um komplexe Teile mit individuellen Mustern, Schriftzügen und Symbolen ökonomisch und ökologisch herzustellen. Es ist ihnen gelungen, dass diese Bauteile auch teilweise transluzent und lichtdurchlässig sind, und neben der Beleuchtung auch die Sensorik nicht außer Acht lassen.
Die gefertigten Teile bestehen außerdem aus einem einzigen Material, nämlich thermoplastischem Kunststoffpulver; zum Beispiel aus dem steifen Polybutylenterephthalat (PBT) oder auch aus lichtdurchlässigen Copolymeren. Diese Kunststoffpulver werden dann im High-Speed-Sintering (HSS) in einem Rutsch zu den entsprechenden Bauteilen verarbeitet. Das einheitliche Material in Verbindung mit der additiven Fertigung liefert die Antwort auf die eingangs aufgezeigte Frage nach der Entsorgung. „Recyclingfähigkeit und kurze Prozesszeiten spielen eine immer wichtigere Rolle bei der Fertigung technischer Bauteile, besonders in der Additiven Fertigung“, erörtert Marco Wimmer vom Fraunhofer IPA. „Durch die Nutzung der Potentiale der Additiven Fertigung sowie innovativer Materialien und Maschinentechnologien entstehen neue Fertigungsmöglichkeiten für funktionalisierte Bauteile.“
Hell-Dunkel-Kontraste durch HSS
Beim High Speed Sintering (HSS) wird eine dünne Schicht Kunststoffpulver auf eine beheizte Bauplattform aufgetragen. Die am Drucker angebrachten Druckköpfe tragen ähnlich wie bei Inkjet-Druckern eine rußhaltige Tinte auf das Pulverbett auf, welches anschließend mit einer Infrarot-Quelle bestrahlt wird. Die rußhaltige Tinte reagiert auf diese Strahlung, erwärmt sich und schmilzt das Kunststoffpulver selektiv zusammen. Doch wie entstehen nun die unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeiten?
Das Forschungsteam kann diese Eigenschaften gezielt steuern, indem es die Tintenauftragsmenge und so auch die Menge an Ruß variiert. Da das Material über transluzente Eigenschaften verfügt, führt eine kleine Menge an Ruß nur zu einer geringen Färbung, das Bauteil fällt dann leicht hellgrau aus. Ist die Menge an Ruß allerdings höher, wird das Teil dunkler und die Lichtdurchlässigkeit vermindert sich. So ist es den Wissenschaftlern möglich, lokal zu steuern, wo das Bauteil transparent / transluzent ist, und wo nicht. Dadurch können sie Hell-Dunkel-Kontraste am Bauteil umsetzen, oder auch fließende Übergänge. In der Folge erreichen sie komplexe Teile mit Mustern, Schriftzügen und Symbolen, welche dann heller hervortreten oder auch leuchten.
Auch kreative, hinterleuchtete Muster können umgesetzt werden. (Bild: Fraunhofer IPA/Foto: Christian Bay)
Mit diesem Ansatz leisten die Fachleute des Fraunhofer IPA und der Universität Bayreuth einen Beitrag zur ökonomischen und ökologischen Produktion. „Die Additive Fertigung entlastet Natur und Wirtschaft: Durch eine nachhaltige Fertigung und kurze Prozessketten können Bauteile ohne konstruktive Restriktionen mit selektiv transluzenten Strukturen funktionalisiert werden“, fasst Wimmer zusammen. Mehr dazu erfahren Sie HIER.
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*Titelbildnachweis: Hinterleuchtete Türverkleidung aus dem 3D-Drucker, Fraunhofer IPA/Foto: Christian Bay