Der 3D Fibre Printer des Fraunhofer IPA kann faserverstärkte Bauteile drucken und dadurch hochfeste Leichtbauteile additiv herstellen. Foto: Fraunhofer IPA

Roboter-Drucker sind im Kommen

Additive Fertigung

Roboter als Bewegungseinheit eröffnen der additiven Fertigung neue Möglichkeiten wie die Herstellung von Faserverbundbauteilen oder neue Verfahrenskombinationen.

Während übliche Systeme zur additiven Fertigung die Bauteile schichtweise von unten nach oben aufbauen, indem nach der Fertigstellung einer Schicht entweder der Druckkopf angehoben oder die Bauplattform abgesenkt wird, bietet der Einsatz von Robotern zur Bewegung des Druckkopfs ganz neue Möglichkeiten.

Besonders deutlich wird dies beim 3D Fibre Printer des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, der durch seinen besonderen Druckkopf sogar Endlosfasern verarbeiten kann. Damit schafft der 3D Fibre Printer die Voraussetzungen, um hochfeste Faserverbundbauteile additiv herstellen zu können.

„Das Verfahren hat enormes Potenzial für eine Vielzahl von Zukunftsbranchen“, Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl , Leiter des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart

Für die Hersteller von Faserverbundwerkstoffen, sogenannten Composites, werden die Fasern in einem formgebenden Matrixmaterial eingebettet. Allerdings können die Composites mit den herkömmlichen Methoden der additiven Fertigung nicht verarbeitet werden, und zudem ist bei der Stabilität der Bauteile noch Luft nach oben. In beiden Fällen schafft der 3D Fibre Printer des Fraunhofer IPA Abhilfe, der durch eine optimale Faserverlegung in Richtung der Kraftflüsse deutlich mehr Stabilität erreicht.

Neues Kapitel des additiven Leichtbaus

Herkömmliche Verfahren wie Harzinjektion oder Laminieren stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Jonas Fischer, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA: „Da man meist auf die Faserausrichtung innerhalb eines textilen Halbzeugs beschränkt ist, muss man Abstriche bei der Festigkeit hinnehmen.“ Der 3D Fibre Printer ist hingegen mit einer neuartigen Düse ausgestattet, die Endlosfasern direkt beim Drucken in den Kunststoffstrang integriert. „Da wir so erstmals Composites verdrucken können, eröffnen wir ein neues Kapitel im additiven Leichtbau“, freut sich Fischer.

Für mehr Stabilität und Flexibilität haben die Experten die Düse an einen Roboterdruckkopf montiert. Im Gegensatz zu konventionellen 3D-Fertigungsverfahren, die über ein 3-achsiges System an den schichtweisen Aufbau einer Struktur gebunden sind, kann der 6-achsige Roboter dadurch Strukturen frei im Raum aufbauen. Diese „Free Space Fabrication“ oder kurz FSF wird derzeit am Fraunhofer IPA in Kombination mit dem 3D Fibre Printer weiterentwickelt.

Dank Werkzeugwechselsystem kann der Roboter des hybriden Fertigungssystems des IKV mit einem Extruder Material aufbringen, mit einer Frässpindel Material abtragen und mit einem Greifer Einlegeteile wie Lagerbuchsen, Gewindeeinsätze, Elektronik­komponenten oder sogar Spritzgießnormalien einlegen – vollautomatisch und in beliebiger Reihenfolge. Grafik: IKV
Dank Werkzeugwechselsystem kann der Roboter des hybriden Fertigungssystems des IKV mit einem Extruder Material aufbringen, mit einer Frässpindel Material abtragen und mit einem Greifer Einlegeteile wie Lagerbuchsen, Gewindeeinsätze, Elektronik­komponenten oder sogar Spritzgießnormalien einlegen – vollautomatisch und in beliebiger Reihenfolge. Grafik: IKV
Zusätzliche Stabilität durch Endlosfasern

Weil Endlosfasern anstelle von Faserabschnitten im Werkstoffverbund verwendet werden, erhält das Bauteil zusätzliche Stabilität. „Mit den Faserverbundmaterialien kann gegenüber den heute in der additiven Fertigung eingesetzten Kunststoffen eine um etwa den Faktor zehn höhere Festigkeit erreicht werden“, freut sich Fischer. Weiterhin lasse sich mit der Technologie die für den 3D-Druck geeignete Werkstoffpalette entscheidend erweitern. Möglich seien, so Fischer, alle Thermoplastmaterialien, die sich mit der Düse aufschmelzen lassen, sowie die Kombination mit zahlreichen Fasern – von Glas über Aramid bis hin zur Kohlenstoff. Selbst die Verarbeitung biobasierter Kunststoffe und Naturfasern ist möglich.

Das vom IPA entwickelte Verfahren basiert auf dem Fused Deposition Modeling, bei dem geschmolzene Polymere mit einer dreidimensional im Raum verfahrenden Düse aufgespritzt werden und so das zunächst am Computer erzeugte Werkstück schichtweise entsteht. Besonderheit des 3D Fibre Printer ist die Einbringung von Fasern in den Kunststoffstrang während des Druckprozesses, so dass aus dem speziellen Schmelzkopf des Printers der Matrixfaserverbund schichtweise aufgetragen werden kann.

Der von den Fraunhofer-Forschern gewählte Weg vereinigt geschmolzenes Thermoplastmaterial und die jeweilige Endlosfaser direkt im Austritts­kanal der Printerdüse. Die Faser wird innerhalb der Düse dem Hauptstrom des Filaments zugeführt. Durch die mechanische Einbindung der Faser in die Schmelze entsteht – ähnlich wie bei einer Wasserstrahlpumpe – ein Zug, der die Faser kontinuierlich weiter in den Extruder zieht. Mit diesem Mechanismus wird die Faser auf dem kurzen Weg zum Düsenausgang mit Kunststoff ummantelt und zugleich mit derselben Vorschubgeschwindigkeit wie der Kunststoff mitgeführt.

Die Bewegung des Schmelzkopfs über einem 6-Achs-Knickarmroboter verbessert dabei nicht nur die Skalierbarkeit der Bauteilgröße, sondern bietet auch die Möglichkeit, andere Bauteile, Komponenten oder Halbzeuge in den dreidimensional gedruckten Faserkunststoffverbund zu integrieren und auch faserspezifisch zu drucken.

„Durch den 3D Fibre Print wird die automatisierte und formlose Herstellung komplexer thermoplastischer Faserkunststoffverbund-Bauteile aus Matrix und Endlosfaser ab Losgröße eins erreichbar“, fasst Jonas Fischer das Ergebnis zusammen.

10 fach höher als bei üblichen additiv gefertigten Bauteilen ist ungefähr die Festigkeit, die das IPA mit dem 3D Fibre Printer und der damit möglichen additiven Verarbeitung von Endlosfasern erreicht.

Wie das Fraunhofer IPA setzt auch das Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk der RWTH Aachen bei seiner neuesten Lösung auf einen Standard-6-Achs-Industrieroboter als Bewegungseinheit, der allerdings nicht nur einen mit Standardgranulat arbeitenden, schneckenbasierten Extruder zur additiven Fertigung frei im Raum bewegen kann, sondern auch eine Frässpindel zur subtraktiven Fertigung, also zum präzisen Abtragen von Material. Eine Kombination, die übrigens in ähnlicher Form auch bei der Herstellung des ersten 3D-gedruckten Autos, des Strati von Local Motors, zum Einsatz kam.

Additive und subtraktive Fertigung vereint

Durch die Kombination von additiver und subtraktiver Fertigung mit dem Standard-Industrieroboter entsteht ein vollautomatisches hybrides Fertigungssystem, das IKV-Institutsdirektor Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann beim letzten IKV-Kolloquium in Aachen in ersten Andeutungen vorgestellt hat und das jetzt zur K 2016 erstmals der breiten Öffentlichkeit vorgestellt werden soll.

Durch die Nutzung eines standardisierten, automatischen Werkzeugwechselsystems lassen sich in dem hybriden Fertigungszentrum aber nicht nur additive und subtraktive Fertigung direkt kombinieren; durch Einwechseln eines Greifers können auch Einlegeteile wie Lagerbuchsen, Gewindeeinsätze, Elektronikkomponenten oder sogar Spritzgießnormalien vollautomatisch eingelegt und in den Prozess eingebunden werden. Denn ein erklärtes Ziel von Prof. Hopmann ist es, nur die Elemente individualisiert zur fertigen, die individuell sein müssen.

„Ich glaube, dass jetzt der richtige Zeitpunkt ist, um sich intensiv mit dem Verfahren auseinanderzusetzen“, Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen

Den hybriden Fertigungsprozess hatte Prof. Hopmann schon beim IKV-Kolloquium skizziert: Ein Bauteil wird zuerst additiv mit dem Extruder aufgebaut. Nach dem Ablegen des Extruders und dem Aufnehmen der Frässpindel fräst der Roboter dann den maßgenauen Sitz für ein Insert, tauscht die Frässpindel gegen einen Greifer und setzt das Insert ein. Anschließend werden so lange Material aufgebaut, abgetragen und Elemente eingelegt, bis das Bauteil fertig ist – alles vollautomatisch und in einem einzigen System.

Abschließend noch ein Tipp von Prof. Christian Hopmann für alle, die trotz der rasanten Weiterentwicklung der additiven Fertigung immer noch zögern: „Ich habe mich schon vor 15 Jahren mit der additiven Fertigung befasst und glaube, dass jetzt der richtige Zeitpunkt ist, um sich intensiv mit dem Verfahren auseinanderzusetzen.“

Günter Kögel

 

Anlaufbild: Fraunhofer IPA