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Großformatige Kunststoffbauteile per 3D-Druck aus Granulat zu fertigen, bietet vielfältige Vorteile. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS hat im Rahmen des Projekts »AddiQ« Lösungen zur Qualitätssicherung bereits während der Herstellung entwickelt. Sensorik, automatisierte Düsenbewertung und Prüfkörperkonzepte verbinden dabei Prozessdaten mit Bauteileigenschaften. Das schafft die Grundlage für wirtschaftlichere und nachvollziehbare Fertigungsprozesse, beispielsweise für Ersatzteile im Transportwesen.
Schienenfahrzeuge sind häufig über mehrere Jahrzehnte im Einsatz. Einzelne Komponenten wie Sitzschalen, Verkleidungen oder äußere Bauteile verschleißen jedoch früher oder sind nach Jahren nicht mehr verfügbar. Für solche Bauteile sind konventionelle Nachfertigungen in kleinen Stückzahlen oft aufwendig und teuer. Additive Fertigung eröffnet hier die Möglichkeit, Ersatzteile bedarfsgerecht herzustellen und damit die Verfügbarkeit im Transportwesen zu unterstützen.
Solche Ansätze verfolgte das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit der SLV Halle GmbH, dem IKTR (Institut für Kunststofftechnologie & -recycling e.V.) aus Weißandt-Gölzau und der studio.201 software GmbH aus Magdeburg. Das Konsortium fokussierte sich als Teil des Vorhabens »Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung (AddiQ)« auf die sogenannte Fused Granulate Fabrication (FGF). Anders als beim Filamentdruck wird dabei Kunststoffgranulat verarbeitet. Das Verfahren bietet insbesondere bei großen Bauteilen Potenziale für höhere Materialdurchsätze und eine wirtschaftliche Fertigung. »Der 3D-Druck mit Granulaten ist ergiebiger, schneller und somit preiswerter«, erläutert Thomas Wagner, der das Teilprojekt am Fraunhofer IMWS geleitet hat.
Damit die Potenziale der Technologie ausgeschöpft werden können, sind belastbare Verfahren zur Sicherstellung der gewünschten Bauteilqualität notwendig. Das Fraunhofer IMWS stattete dazu einen Yizumi-Granulatdrucker mit Sensorik für Beschleunigung, Raumtemperatur, Temperatur und Feuchte des Granulats, Schmelzedruck sowie die Masse auf der Bauplattform aus. All diese Parameter beeinflussen Schichthaftung, Geometrie und mechanische Eigenschaften. Die Herausforderung bestand deshalb nicht allein darin, Prozessdaten zu erfassen. Entscheidend war, Messwerte durch geeignete Prüfkonzepte belastbar mit der resultierenden Bauteilqualität zu verknüpfen.
Ergänzend entwickelte das Team ein nachrüstbares Retract-System und eine automatisierte Bildauswertung von Druckerdüsen. Damit lassen sich Verschleißzustände erkennen und Wartungsbedarfe künftig besser abschätzen. Das Institut kombinierte somit seine Kompetenzen in Prozessüberwachung, Prüfmethodik und Werkstoffcharakterisierung. »Hersteller von Materialien und Bauteilen können sich anhand unserer Ergebnisse ebenso wie Maschinenbauer über Methoden zur Qualitätsbewertung von 3D-Druck-Bauteilen informieren, eigene Materialien testen und Referenzdrucke herstellen«, sagt Wagner.
Der »AddiQ«-Ansatz ergänzt die etablierte Prüfung fertiger Bauteile um Daten direkt aus dem Druckprozess. Abweichungen können dadurch früher sichtbar werden; zugleich entstehen Grundlagen für eine gezieltere Prozessführung und vorausschauende Wartung. Für Unternehmen bedeutet das mehr Transparenz bei der Entwicklung und Bewertung von Fertigungsprozessen im Granulat-3D-Druck.
Als Demonstrator diente eine auf 38 Prozent skalierte ICE-Frontschürze mit 500 Millimetern Länge. Das Originalbauteil misst 1.300 Millimeter und übersteigt den Bauraum des eingesetzten Drucksystems. Die Ergebnisse zeigen, wie sich Sensorik und Prüftechnik künftig auf weitere großformatige Ersatzteile von Schienenfahrzeugen übertragen lassen. Im nächsten Schritt geht es darum, die entwickelten Methoden gemeinsam mit Industriepartnern auf konkrete Kundenbauteile zu übertragen und für die jeweilige Anwendung zu qualifizieren.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
