Projektbeschreibung FiberAdd:
Additive Fertigung endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile aus dem SLS-Prozess

Ausgangasituation:
Ein entscheidender Wettbewerbsvorteil für produzierende Unternehmen ist die effiziente und rasche Umsetzung innovativer Technologien. Additive Fertigungsverfahren bieten hierbei ein besonders großes Potenzial, da sie ohne die Grenzen von herkömmlichen Werkzeugen weitgehende bis unbegrenzte Designfreiheit erlauben. Jedoch wird der breite industrielle Einsatz meist durch unzureichendes Wissen um die Verwendbarkeit und die Grenzen der additiv hergestellten Bauteile gehemmt. Es bedarf also einer systematischen Applikationsforschung, um die Möglichkeiten additiver Fertigungsverfahren im Bereich des „Multi-Material-Designs“ wissenschaftlich aufzubereiten und die Materialeffizienz durch einen funktionsangepassten Werkstoffeinsatz in Bauteilen zu steigern.
Durch den Verzicht auf Stützstrukturen, gelten Pulverbettverfahren wie das Selektive Lasersintern (für Kunststoffe) und das Selektive Laserstrahlschmelzen (für Metalle) als leistungsfähige und im Materialverbrauch sparsame Fertigungsverfahren für die additive Herstellung von Bauteilen. In einem beheizten Bauraum auf einer vertikal verschiebbaren Bauteilplattform wird mit Hilfe eines Rakels eine dünne Schicht eines Kunststoff- bzw. Metallpulvers gleichmäßig aufgetragen. An den Stellen, an denen sich das spätere Bauteil befindet, wird das Pulver ortsaufgelöst mittels eines Lasers miteinander verschmolzen. Anschließend wird die Bauteilplattform abgesenkt, eine neue Pulverschicht aufgetragen und der Prozess wiederholt sich. Durch das Stapeln von verschmolzenen Pulverschichten entstehen so dreidimensionale Körper.
Aufgrund der Eigenschaften der zu verarbeitenden Werkstoffe musste man sich bisher entscheiden: Soll das Bauteil besonders leicht, also aus Kunststoff, oder besonders steif und damit aus Metall sein. Endlosfaserverstärke Kunststoffe ermöglichen Produkte aus sehr leichten polymeren Werkstoffen mit besonders guten mechanischen Eigenschaften.

Ziel:
Ziel des Forschungsvorhabens ist die signifikante Steigerung der mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen durch die Einbringung von Endlosfasern, wodurch sich neue Anwendungsfelder für additiv gefertigte Kunststoffbauteile erschließen. Hierzu wird eine Einheit zur automatisierten Einbringung von Endlosfasern in das Pulverbett entwickelt. Auf Grundlagenebene soll die Wechselwirkung zwischen Pulver und den eingebrachten Fasern bei unterschiedlichen Parametern untersucht werden, um eine gute Anbindung der Fasern an das Kunststoffpulver zu erreichen. Aus den Ergebnissen der Parameteruntersuchung sollen abschließend Anwendungsgrenzen des neuen erweiterten Verfahrens abgeleitet werden.

Vorgehensweise:
Die Bearbeitung des beschriebenen Forschungsvorhabens ist mit zwei Jahren Laufzeit geplant und in drei Hauptarbeitspakete (AP) gegliedert, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind. Voruntersuchungen der zu verwendenden Materialien und Prozesseinstellungen sollen als Wissensbasis für die Entwicklung der Einbringungseinheit dienen. Auf Basis dieses Wissens werden Konzepte zur Einbringung entwickelt, bewertet und ausgewählt. Das potentialträchtigste Konzept wird anschließend konstruktiv umgesetzt und in eine SLS-Anlage implementiert. Der erweiterte Prozess wird zum Abschluss durch eine Parametervariation validiert.