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Der Prototyp vom Fraunhofer ILT verbindet zwei 3D-Druck-Verfahren. 
Foto: Fraunhofer ILT, Aachen
Der Prototyp vom Fraunhofer ILT verbindet zwei 3D-Druck-Verfahren. 

News aus der Additiven Fertigung

Drei Projekte aus der AM-Forschung

Idea sollte zeigen, dass automatisierte Linien auch für KMU rentabel sind, bei Intesint-3D kommen leitfähige Bauteile aus einem 3D-Drucker und Hopro-3D druckt kundenspezifische Mikrobauteile.

Hopro-3D: Mikrostrukturen wirtschaftlich drucken

Um hochaufgelöste Mikrobauteile beziehungsweise polymere Mikrostrukturen wirtschaftlich und kundenspezifisch in einer Maschine herzustellen, hat Fraunhofer ILT mit Partnern im Projekt „HoPro-3D“ einen 3D-Drucker entwickelt. Er vereint die beiden additiven, harzbasierten Verfahren Digital Light Processing (DLP) und Multiphotonenpolymerisation (MPP). Während mit DLP hohe Aufbauraten erzielt werden, steht MPP für hohe Präzision.

Das DLP-Modul mit einer Wellenlänge von 365 nm belichtet die Basisstrukturen eines Mikrobauteils mit einer Pixelauflösung von 10 µm. Danach können mit einem Femtosekundenlaser und dem MPP-Modul Konturlinien mit einer Auflösung von etwa 2 µm auf das DLP-Bauteil geschrieben werden. So entstehen schnell ausgedehnte Bauteile mit einer komplexen Struktur und hochaufgelösten Details. Mit dem Prototypen können Bauteilen mit einer Grundfläche bis 60 mm × 100 mm gedruckt werden.

Die Steuerungssoftware der „HoPro-3D“-Anlage ermöglicht einen reibungslosen Wechsel zwischen beiden Belichtungsmodulen. Wann ein Wechsel zwischen den Druckverfahren sinnvoll ist, wird anhand der CAD-Daten entschieden.

Derzeit wird im Folgeprojekt „Pan-Da“ die Erweiterung der Leistungsfähigkeit von DLP-gestützten Verfahren erarbetiet. Die dort gewonnenen Erkenntnisse sollen später in der HoPro-3D-Anlage einfließen.

Realisierung von MPP- und DLP-Prozess in einem Harzbad.
Im Harzbad gefertigtes Musterbauteil aus der HoPro-3D-Anlage.

Intesint-3D: Leitfähige Bauteile aus dem 3D-Drucker

Bisher benötigt es einen zweistufigen Prozess, um aufwändige elektronische Teile wie Antennen oder Leitungen per 3D-Druck herzustellen. Dass es auch einfacher, schneller und kostengünstiger geht, hat ein interdisziplinäres Team der TH Köln bewiesen. Sie haben ein einstufiges Herstellungsverfahren konzipiert und zum Patent angemeldet. Im Vorhaben „InteSint-3D“ wird dieses jetzt gemeinsam mit weiteren Projektpartnern optimiert.

Die neue Methode kombiniert Additive Fertigung mit thermischer Nachbehandlung und nutzt die Prozesswärme des Drucks zur Materialsinterung der leitfähigen Strukturen. So werden keine Sinteröfen mehr benötigt und es gibt weniger Ausschussware durch verformte Bauteile.

Dazu hat das Team der TH Köln neben einen handelsüblichen 3D-Drucker eine Kartusche angebracht, die mit Silberleitklebstoff gefüllt ist. Während des Druckprozesses wird dieser mit einer Dosiernadel in die gedruckten Filamentschichten integriert. So entsteht eine leitfähige Struktur. Die Spitze der Nadel liegt dabei unmittelbar in der Nähe der Extruderdüse. So kann der Klebstoff die Wärme des geschmolzenen Filaments nutzen und wird beim Verlassen der Dosiernadel gesintert.

Mit dem Protoyp wurden bereits komplexe Geometrien von Bauteilen mit zusätzlichen elektrischen Funktionen hergestellt, wie Antennen und Leitungen für die Hochfrequenztechnik. Im Projekt „InteSint-3D“ wird der Prototyp nun mit Partner aus der Industrie weiterentwickelt.

Schematischer Aufbau der Dosiervorrichtung: Die neuartige Methode kombiniert Additive Fertigung mit der thermischen Nachbehandlung. 
Aufbau einer leitfähigen Struktur, die mit einem ersten Prototyp hergestellt wurde. 
Das mit Hilfe des Protoypen gedruckte elektrisch leitfähige Bauteil zeigt, dass das neuartige Verfahren grundsätzlich funktioniert.

Idea: AM-Produktionslinie auch für KMU

Bereits abgeschlossen ist das Projekt „Idea“. Vor drei Jahren bauten das Fraunhofer ILT, Fraunhofer IPT, die RWTH Aachen und Industrie-Partner zwei automatisierte, additive Produktionslinien für den metallischen 3D-Druck auf. Die Erkenntnis: Auch für KMU lohnt sich eine additive Serienfertigung von individualisierten Komponenten in mittleren Losgrößen.

3D-gedruckt wurden Turbinenschaufeln in beiden Linien mit dem Verfahren Laser Powderbed Fusion (LPBF, auch SLM). Wichtig für eine Wirtschaftlichkeit ist ein digitales Engineering entlang der Produktentwicklungskette zur Optimierung der Bauteile. Eine der Anlagen enstand bei Siemens, sie steht für die großindustrielle Fertigungslinie. Die Fertigungslinie für KMU wurde bei der Toolcraft aufgebaut. Während der Entstehung gab es bereits ein erstes Ergebnis: Der Digitale Zwilling der Fabrik, entwickelt für KMUs und die große Serienfertigung, konnte bereits vor dem Bau und Betrieb die Produktkosten signifikant reduzieren.

In der Großserienfertigung  bei Siemens wurden die Produkte vom Design bis zum fertigen Produkt etwa doppelt so schnell fertig als üblich. Markus Langer, Leiter Forschungs- und Technologieförderung bei Toolcraft, lobt die höhere Prozessstabilität und -qualität, die durch die Automatisierung und Digitalisierung der Prozessschritte erreicht wurde. Zu konkreten Vor- oder Nachteilen einer AM-Linie für KMU gibt es keine weiteren Hinweise.

Die AM-Produktion bei Toolcraft.
Diese Turbinenleitschaufeln wurden in dem Projekt gedruckt. Links mit kontinuierlicher, rechts mit gepulst-modulierter Konturbelichtung.
Die Fertigungslinien wurden mit Tecnomatix Plant Simulation geplant.
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