Neue Pulver machen den 3D-Druck noch smarter

Eine REM-Aufnahme eines Kunststoff/Mikrokapsel-Komposits.

Foto: SKZ

Die additive Fertigung ist heute Standard bei der Produktentwicklung in der Industrie. Besonders bei individualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen und komplexen Geometrien zeigt sie ihr Potenzial. Neben der passenden Fertigungsmethode sind maßgeschneiderte Materialien entscheidend. Für den pulverbasierten 3D-Druck ist die Auswahl an Materialien jedoch begrenzt. Das Fraunhofer IAP und das SKZ wollen diese Palette durch Additive erweitern, um das Potenzial der Technik auszuschöpfen.

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Neue Werkstoffe für den pulverbasierten 3D-Druck

Beim „Powder Bed Fusion – Laser based“ (PBF-LB) oder „Selektiven Lasersintern“ (SLS) wird Kunststoffpulver lokal mittels Laser aufgeschmolzen und das Bauteil in dünnen Schichten aufgebaut. Das Pulver muss viele Eigenschaften aufweisen. Die Herausforderung liegt laut Patrick Limbach, Materialentwickler am SKZ, darin, dass Additive die Schüttgutcharakteristik und das Eigenschaftsprofil verändern, was die Verarbeitung oft unmöglich macht. Es werde nun untersucht, welche Additive wie eingearbeitet werden können, Dafür würden aktuell zwei innovative Pulverherstellungsverfahren entwickelt.

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Eignungsprüfung der Additive für den 3D-Druck

In einem ersten Schritt testet das Forscherteam systematisch, welche Additive sich für die Pulveraufbereitung und den Druckprozess eignen. »Wir untersuchen Charakteristika wie Partikelgröße, Oberflächeneigenschaften, thermische Stabilität und Füllgrad und testen die Grenzen der Möglichkeiten aus. Im zweiten Schritt setzen wir unsere speziell entwickelten Mikrokapseln ein«, erklärt Dr. Alexandra Latnikova, Spezialistin für Mikroverkapselung am Fraunhofer IAP.

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Materialverschleiß um bis zu 85 % reduziert

Das Fraunhofer IAP bringt sein Knowhow in die Mikroverkapselung ein. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung komplexer Additive. Funktionsadditive werden mit einer dünnen Polymerwand umhüllt, sodass auch Flüssigkeiten in Kunststoffe eingebracht werden können. „Wir verleihen den Materialien viele smarte Funktionen. Beispielsweise können mikroverkapselte Farbstoffe Defekte gedruckter Bauteile anzeigen, da bei einer Schädigung der Kapseln im Werkstoff Farbe austritt. Auch die Einkapselung von Flammschutzmitteln würde ein großes Anwendungsgebiet eröffnen. In einem Vorgängerprojekt haben wir bereits erfolgreich gezeigt, dass mikroverkapselte Schmierstoffe Spritzguss- und FLM-gedruckten Bauteilen selbstschmierende Eigenschaften verleihen. Dadurch kann der Materialverschleiß, der normalerweise durch Reibung an Bauteilen entsteht, um bis zu 85 Prozent reduziert werden. Diese Ergebnisse übertragen wir nun auf den Pulver-3D-Druck“, sagt Limbach.

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Innovationskraft des deutschen Mittelstandes soll gestärkt werden

Der Projektverbund möchte die Innovationskraft des deutschen Mittelstandes stärken. „Unser Ziel ist es, mit einer breiten Palette an hoch funktionalen Pulvermaterialien die Kundenakzeptanz für 3D-Druckverfahren und die Marktdiversifizierung zu steigern. Für kleine und mittlere Unternehmen sollen diese anwendungsspezifischen Spezialmaterialien den Einstieg in die Additive Fertigung erleichtern. Wir laden interessierte Unternehmen ein, unserem projektbegleitenden Ausschuss beizutreten, Anregungen und Ideen einzubringen und von den Ergebnissen zu partizipieren“, erklären Latnikova und Limbach. Das Projekt richtet sich an Unternehmen der Produktionskette für pulverbasierten 3D-Druck, wie Mikroverkapseler, Hersteller und Distributeure von Kunststoffadditiven, Compoundeure, Hersteller von Anlagensystemen sowie Dienstleister im Bereich pulverbasierter 3D-Druck.

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Über das Projekt

Das Forschungsprojekt hat das Förderkennzeichen 01IF23191N und wird über die Fördergemeinschaft des SKZ e. V. bzw. über das Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) innerhalb des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.