Kontinuierlicher 3D-Druck für die Serienfertigung

Das dreidimensionale Drucken von Polymer-, Metall- oder Keramikbauteilen gehört zu den additiven Technologien und bietet die Chance, individuelle und komplexe Produkte für unterschiedlichste Anwendungen herzustellen. Bislang ist dieser Fertigungsprozess diskontinuierlich und bedarf einer aufwendigen Betreuung. Gefördert durch die VolkswagenStiftung haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM eine neue Fertigungsanlage entwickelt, die einen kontinuierlichen und automatisierten Betrieb für flüssige Kunststoffe ermöglicht. Erste Bauteile für den Consumer-Bereich sind bereits gefertigt.

Pulverbasierte kontinuierliche Verfahren existieren bereits. Das Herstellungsprinzip lässt sich jedoch nicht auf flüssige Werkstoffe, wie sie im Stereolithographie-Prozess eingesetzt werden, übertragen. Bei der konventionellen Stereolithographie werden ausgewählte Bereiche in der jeweiligen Schicht mit UV-Licht bestrahlt und damit ausgehärtet. Schicht für Schicht wird dieser Vorgang wiederholt, bis die entsprechende Anzahl von Lagen für den Aufbau der Bauteile abgeschlossen ist. Im Anschluss werden die Elemente aus dem Bauraum entnommen und dieser neu eingerichtet (Batch-Fertigung). Ein aufwendiger Arbeitsschritt, der zurzeit ein Hindernis für die Serienfertigung darstellt und zudem hochqualifiziertes Personal erfordert.

Kontinuierliche Fertigung nach dem Schichtbauprinzip

Der neu entwickelte Prozess nutzt die Technik der kontinuierlichen Photopolymerisation nach dem Digital Light Processing-Prinzip zur schichtweisen Herstellung von Bauteilen. Der wesentliche Unterschied zu den üblichen Batch-Systemen ist, dass bei diesem neuen Ansatz eine drehbare Walze als Substrat genutzt wird und die flache Bauplatte einfach entfällt. Der untere Teil dieser Walze wird dabei in ein Polymer-Bad eingetaucht und durch mehrere Lichtquellen in exakt definierter, zunehmender Entfernung beleuchtet. Dies ist erforderlich, um das Polymer an verschiedenen Stellen in unterschiedlichen Stufen auf der Oberfläche der Walze mittels Licht selektiv aushärten zu lassen. Bei der schrittweisen Drehung der Walze wird Schicht für Schicht ein dreidimensionales Bauteil auf dem eingetauchten Teil des Zylinders aufgebaut. Die fertigen Bauteile können auf der Oberseite der Walze automatisiert von der Oberfläche getrennt werden. Damit ist die Substratfläche wieder bereit und der Prozess kann uneingeschränkt voranschreiten.

Eine kontinuierliche Fertigung stellt insbesondere im Hinblick auf die Verwendung der Ressourcen einen großen Vorteil dar, weil komplette Bauteile laufend die Produktionsstraße verlassen und dadurch die Arbeitsabläufe verstetigt und somit verbessert werden. Bisher sind die Produktionszykluszeiten der herkömmlichen Additive Manufacturing-Verfahren nicht vergleichbar mit konventionellen Fertigungslinien der Großserienproduktion. Der Ansatz der Fraunhofer IFAM-Forscher geht in Richtung einer kostengünstigen individuellen Massenfertigung und wird die Wirtschaftlichkeit des Generativen Verfahrens entscheidend verbessern.

Bild: Kontinuierliche Fertigung nach dem Schichtbauprinzip für Kunststoffe. Foto: Fraunhofer IFAM/Thorsten Müller

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