Neues Forschungsprojekt: Natural 3D

3D-Druck (FDM, fused deposition modeling) ist eine beliebte, aufstrebende Fertigungstechnik geworden, allerdings nutzt das Verfahren durch den schichtweisen Aufbau nicht das volle Potential der Werkstoffe. In diesem Projekt „Natural3D“ werden Werkstoffe und Prozesse zum Freiform-3D-Drucken entwickelt, um Kunststoffstränge frei im Raum, in Richtung der Kraftflüsse, zu deponieren. Dazu kommen kurz- und endlosfaserverstärkte Biokunststoffe zum Einsatz, die über einen Roboter manipuliert werden. Das Projekt, welches von K Wood geleitet wird und an dem auch die Shanghai Universitaet mitarbeitet, dauert 3 Jahre. Der Schwerpunkt der Forschung an der FH Technikum Wien liegt im Bereich Material- und Prozessenwicklung. Bachelor- und Masterstudenten sollen in das Projekt eingebunden werden.

Der traditionelle 3-Achs-3D-Druck hat in den letzten Jahren viel Aktivität erlebt, was zu zahlreichen Materialien, die verarbeitet werden können, geführt hat. Allerdings arbeiten praktisch alle Techniken an einem kartesischen 3-Achsen-Prinzip (x, y, z), sodass jede Materialschicht in 2D aufgebaut wird und aufeinanderfolgend eine Schicht auf die nächste Seite gestapelt wird, um einen 3D-Teil zu erzeugen. Diese Methode erzeugt in vielen Fällen Teile mit unzureichenden mechanischen Eigenschaften, einem Bedarf an Stützstrukturen und geometrischen Einschränkungen. Daher sind diese Teile aufgrund ihrer Einschränkungen, die durch das Additivherstellungsverfahren gegeben werden, oftmals nicht für industrielle Anwendungen geeignet.

In diesem Projekt werden sowohl die angewandten Materialien als auch der Prozess verbessert, um einen echten 3D-Druck mit hochfesten Materialien zu realisieren. Verbundwerkstoffe aus harten, aber biobasierten Polymeren werden mit langen Fasern (Naturfasern und karbonisierten Fasern) verstärkt, und die resultierenden Materialien werden in Richtung des erwarteten Kraftflusses frei in den Raum gedruckt (vergleiche die Wachstumsstruktur eines Baumes). Dabei kann das anisotrope Verhalten von orientierten Fasern ausgenutzt werden, da deutlich höhere Lasten aufgenommen werden können (was den Anwendungsbereich von 3D-Druckobjekten auf größere Strukturen erweitert und / oder die Verringerung des Materialverbrauchs ermöglicht). Dieser Ansatz erfordert einen Freiform-Oberflächendruck, daher wird das Projekt die Erzeugungsmethode der 5-Achs-Fused Filament Fabrication (FFF, zusätzliche Bewegung der Bauplattform) sowie 6 Achsen (Druckkopf auf Roboterarm) 3D-Druck auf der Grundlage der erwarteten Kraftflussrichtungen der Zielstrukturen. Die Druckstrategie kann entsprechend den Anforderungen der Endanwendung des Teils sowie den anisotropen Eigenschaften der faserverstärkten Polymermatrixsysteme angepasst werden. Die Realisierung von 5-Achsen- und 6-Achs-3D-Druckprozessen kann den Bedarf an Stützmaterial erheblich reduzieren oder ganz vermeiden sowie die geometrische Flexibilität erhöhen.

Zusätzlich ist die Anpassung der vorliegenden FFF-Druckkopf-Designs an die Bedürfnisse von Kompositmaterialien, die mit langen Fasern gefüllt sind, bis zu einer Faserbeladung von 60 bis 70%, Projektziel. Dies wird in Verbindung mit der gedruckten Lastpfadverstärkung die mechanische Leistung der gedruckten Teile stark erhöhen.

Im Laufe dieses Projekts werden sowohl die Materialien als auch das Druckverfahren entwickelt und verbessert, um ein fortschrittliches 3D-Druck-Verfahren zu realisieren, z.B. 5- und 6-Achs-Druck, wobei gleichzeitig faserverstärkte Naturmaterialien verwendet werden.

Dabei kann die Anwendung dieser neuartigen Methoden in Kombination mit dem verstärkten Material dazu beitragen, die Druckprozesszeit zu reduzieren und die Qualität des Endteils in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften zu steigern.

Zeitraum

Juli 2017 bis Juni 2020

Fördergeber

Förderprogramm: Produktion der Zukunft, Schwerpunkt „China“ (Gemeinsames Projekt mit der Shanghai Universität)

Projektteam