Ziel der Entwicklung
Die additive Fertigung hat sich als Schlüsseltechnologie für die schnelle und flexible Herstellung von Prototypen und Kleinserien etabliert. Ein wesentlicher limitierender Faktor herkömmlicher 3D-Druckverfahren (FDM/FFF) ist jedoch die unzureichende mechanische Belastbarkeit der Bauteile, die für den Einsatz als hoch belastete Funktionsbauteile oft nicht ausreicht. Der Impuls aus der Wirtschaft, insbesondere aus dem Sondermaschinenbau, dem Fahrzeugbau und der Automatisierungstechnik, war daher eindeutig: Es besteht eine steigende Nachfrage nach individualisierten, geometrisch komplexen Bauteilen, die sowohl leicht als auch mechanisch extrem robust sind.
Bisherige Lösungsansätze für dieses Problem waren mit erheblichen Nachteilen verbunden. Einerseits gibt es kommerzielle Spezial-3D-Drucker für Endlosfaser-Verstärkungen, wie die der Firma Markforged. Diese Systeme sind jedoch mit sehr hohen Investitionskosten verbunden und als geschlossene, proprietäre Systeme konzipiert, die den Anwender an teure, herstellerspezifische Materialien und Software binden. Dies stellt vorwiegend für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) eine erhebliche Kosten- und Technologiebarriere dar. Andererseits steht die konventionelle CNC-Zerspanung von Metallen, wie Aluminium, zur Verfügung. Dieses Verfahren ist zwar etabliert, aber für die Herstellung von Einzelstücken oder Kleinserien mit komplexen Geometrien sehr kosten- und zeitintensiv.
Das zentrale Problem war also eine technologische Lücke: Es fehlte ein offenes, flexibles und vor allem wirtschaftliches Verfahren, um faserverstärkte Hochleistungsbauteile auf der Basis von weitverbreiteten Standard-3D-Druckern fertigen zu können. Ziel des Projekts FIBERPLUS war es, genau diese Lücke zu schließen und eine Technologie zu entwickeln, die die Vorteile der additiven Fertigung mit der mechanischen Leistungsfähigkeit von Metallen kombiniert, ohne die Nachteile der hohen Systemkosten und der Herstellerabhängigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
Vorteile und Lösungen
Um das Ziel zu erreichen, wurde im Projekt FIBERPLUS ein mehrstufiger und technologieoffener Ansatz verfolgt, der auf handelsüblichen 3D-Druckern aufbaut. Als Basis dient ein bereits sehr leistungsfähiges, mit kurzen Kohlenstofffasern verstärktes Kunststofffilament (PA-CF). Die entscheidende Innovation liegt jedoch in der zusätzlichen, gezielten Integration von Endlosfaser-Strängen, ähnlich wie Bewehrungsstahl in Stahlbeton, um die Lasten in den am stärksten beanspruchten Bereichen des Bauteils aufzunehmen. Hierfür wurden zwei neuartige und komplementäre Lösungsansätze entwickelt.
Der erste Lösungsansatz ist das "Kanal-Verklebungs-Verfahren", eine hochrobuste und prozesssichere Methode. Zuerst wird das Bauteil gedruckt, wobei unsere eigens entwickelte Software gezielt kleine Kanäle oder Tunnel an den Stellen ausspart, die später die höchste Last tragen müssen. An der entsprechenden Höhe pausiert der Drucker, die Verstärkungsfasern (z. B. aus Aramid) werden manuell in diese Kanäle eingelegt und der Druck wird fortgesetzt. Nach der Fertigstellung des Bauteils werden die eingelegten Fasern über seitliche Öffnungen mit einem 2-Komponenten-Epoxidharz vergossen, was eine extrem feste, kraftschlüssige Verbindung zwischen Faser und Bauteil herstellt.
Der zweite, parallel entwickelte Lösungsansatz ist der "Co-Extrusions-Ansatz" für eine vollständig integrierte Fertigung. Hierfür wurde ein eigener, neuartiger Druckkopf (Extruderblock) entwickelt, der den Standard-Druckkopf ersetzen kann. Das Funktionsprinzip ist, dass die Endlosfaser über eine seitliche Bohrung direkt in den Kanal des geschmolzenen Kunststoffs eingeführt wird. Der Kunststofffluss reißt die Faser mit und bettet sie direkt während des Drucks in das Bauteil ein. Die prinzipielle Machbarkeit dieser Hardware-Lösung konnte im Projekt erfolgreich nachgewiesen werden.
Die übergreifende Schlüsseltechnologie, die beide Verfahren steuert, ist die im Projekt entwickelte, offene Slicer-Software. Diese "Übersetzungs-Software" bereitet die 3D-Modelle für den Drucker vor und erlaubt die volle Kontrolle über alle Prozessparameter, wie das Erzeugen der Kanäle und das Planen der Druckpausen – eine Flexibilität, die geschlossene Systeme am Markt nicht bieten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Zielgruppen für die FIBERPLUS-Technologie sind Unternehmen mit Bedarf an individualisierten, leichten und hochfesten Bauteilen in kleinen bis mittleren Stückzahlen. Die Zielmärkte umfassen den Sondermaschinenbau (z. B. für Greifer und Vorrichtungen), den Automotive-Bereich und Motorsport (z. B. für Funktionsprototypen und Kleinserienteile), die Luft- und Raumfahrt (insbesondere unbemannte Flugsysteme/Drohnen) sowie die Orthopädietechnik. Aufgrund der globalen Verbreitung von Standard-3D-Druckern ist das Potenzial der Technologie international.
Anwender profitieren von der Entwicklung in mehrfacher Hinsicht: Sie erhalten Zugang zu einer Hochleistungs-Fertigungstechnologie bei drastisch reduzierten Investitions- und Materialkosten im Vergleich zu kommerziellen Spezialsystemen. Die Systemoffenheit ermöglicht maximale Flexibilität in der Prozessgestaltung und Materialwahl. Gegenüber der Zerspanung von Metallen bietet das Verfahren Vorteile durch Werkzeuglosigkeit, geometrische Freiheit und erhebliche Kosteneinsparungen bei Einzelstücken und Kleinserien.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse erfolgt zweistufig: Kurzfristig wird der ITW e. V. Chemnitz die Technologie als hochspezialisierte FuE-Dienstleistung anbieten, indem es die Auslegung und Fertigung von faserverstärkten Bauteilen für Industriekunden übernimmt. Ein Anwendungsbeispiel ist die Fertigung eines hochbelasteten Hebels für eine Vorrichtung, bei dem die Fasern gezielt in die Hauptlastrichtungen integriert wurden, um die Steifigkeit zu maximieren. Mittelfristig wird die Lizenzierung der Technologien angestrebt, insbesondere die Konstruktion des Co-Extrusions-Blocks für Hardware-Hersteller und die Software-Lösung für Software-Anbieter. Geplante Präsentationen auf Fachmessen, wie der Rapid.Tech 3D und der Intec, sowie Fachpublikationen werden den Transfer unterstützen.
Für das ITW ergeben sich interne wirtschaftliche Effekte durch die Stärkung der technologischen Position, den Aufbau neuer Dienstleistungsangebote und die Sicherung von Arbeitsplätzen. Die erwarteten externen Effekte für die Wirtschaft sind noch bedeutender: Die Technologie "demokratisiert" den Zugang zur Composite-Fertigung und stärkt die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit von KMU, indem sie die Realisierung von Leichtbau-Lösungen und On-Demand-Fertigung von Ersatzteilen ermöglicht.
