Hochfeste reproduzierbar gefertigte Kunststoffteile aus dem 3D-Drucker - Simulation des Prozesses (HEROD)

Im Projekt HEROD (Hochfeste reproduzierbar gefertigte Kunststoffteile aus dem 3D-Drucker - Simulation des Prozesses) entwickelt die Hochschule Aalen im Rahmen der FH-Impulspartnerschaft SmartPro ein Simulationsmodell für den 3D-Druck von Kunststoff-Bauteilen, mit dem sich die mechanischen Eigenschaften der Bauteile vorhersagen lassen. Geleitet werden die Arbeiten von Prof. Dr. Rainer Börret.

Herausforderung

Der große Vorteil des 3D-Drucks ist die Gestaltungsfreiheit, die er ermöglicht: Mit den entsprechenden Bauplänen lässt sich im 3D-Drucker nahezu jede Struktur produzieren. Allerdings verursacht der schichtweise Aufbau der Bauteile auch Probleme. Da die Schichten sich nicht oder nur teilweise vernetzen, sind die Materialeigenschaften - anders als zum Beispiel bei der Spritzguss-Fertigung - nicht vorhersagbar und hängen stark davon ab, in welcher Richtung das Bauteil im Drucker aufgebaut wurde. Auch die üblicherweise im 3D-Druck verwendeten Ausgangsmaterialien wie Polyactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) sind wegen ihrer mechanischen Eigenschaften nur bedingt für die industrielle Fertigung geeignet. Daher gibt es trotz des hohen Potenzials der Methode bis heute kaum industrielle Anwendungen für den 3D-Druck bei der Fertigung hochpräziser Kunststoff-Bauteile.

Ziele und Vorgehen

Um den 3D-Druckprozess besser zu verstehen und die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus dem 3D-Drucker zu verbessern, entwickelt die Hochschule Aalen ein Simulationsmodell, das die Herstellungsprozesse abbildet und in der Lage ist, die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffbauteile vorherzusagen. In der Simulation werden unterschiedliche Parameter geändert und die Auswirkungen auf die Probe analysiert. So will das Forscherteam herausfinden, unter welchen Bedingungen im Bauteil Aufwölbungen oder uneinheitliche Schrumpfungen entstehen, die die Struktur verformen, und wie sich diese Probleme vermeiden lassen. Ziel der Arbeiten ist eine Simulationssoftware, die den 3D-Druck von Kunststoff abbildet - denn bislang existieren solche Software-Lösungen nur für den 3D-Druck von Metall.

Innovationen und Perspektiven

HEROD ist ein Begleitprojekt von AddFunK, das im Rahmen der Impulspartnerschaft SmartPro Komponenten mit maßgeschneiderten Werkstoff- und Materialeigenschaften bereitstellen soll. Die Ergebnisse von HEROD fließen direkt in die Arbeiten zu AddFunK ein: Das Simulationsmodell kann eingesetzt werden, um die additive Fertigung von intelligenten, funktionalen Komponenten zu verbessern. Anhand der Simulationsergebnisse können zum Beispiel neue Materialien ausgewählt und getestet werden, durch die die Bauteile so verbessert werden sollen, dass sie ebenso gute Eigenschaften aufweisen wie Bauteile aus der Spritzguss-Fertigung. Die Arbeiten eröffnen neue Kooperationen mit den Industriepartnern der Impulspartnerschaft Smart Pro, die großes Interesse an einer speziellen Lösung für den Kunststoff-3D-Druck geäußert haben und die Erkenntnisse ebenfalls direkt anwenden könnten.