UD-3D-Druck in Zusammenspiel mit Spritzguss

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Endlosfaserverstärkte Einleger aus dem 3D-Drucker bilden innere Verstärkung eines Spritzlings

Am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) werden verschiedene Technologien weiterentwickelt, um neuartige und leistungsfähigere Verarbeitungsverfahren in die Anwendung zu überführen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Herstellung von endlosfaserverstärkten Einlegern in einem modifizierten 3D-Druckprozess. Diese hochfesten Strukturen werden anschließend in einem Spritzgussvorgang mit kurzfaserverstärkter Spritzgussmasse ummantelt und hierdurch funktionalisiert.

Der erste Prozessschritt ist die automatisierte Herstellung des Ausgangsmaterials für den UD-faserverstärkten 3D-Druck (UD = Unidirektional). Hierbei wird vorimprägniertes und auf die passende Breite geschnittenes Tape in einer Abziehvorrichtung umgeformt. Die Anlage aus Abbildung 1 wurde hierzu am IVW konstruiert und aufgebaut. Neben technischen Polymeren sind Hochleistungspolymere einschließlich PEEK verarbeitbar. Außerdem können verschiedene Fasertypen - bspw. Glas- und Kohlenstofffasern - verwendet werden.

Das fertige Halbzeug besitzt einen Durchmesser von 1,75 mm und weist eine durchgehende bzw. endloslange Faserverstärkung auf. Hierbei wird eine hohe Rundheit und ein geringer Porengehalt erreicht, vgl. Schliffbild in Abbildung 1. Das fertige Stabhalbzeug wird anschließend zu einem Portalroboter transportiert, wo es gemäß programmiertem Pfad extrudiert wird. Der Extrusionsprozess unterscheidet sich gegenüber dem klassischen 3D-Druck in der Düsengeometrie. Die Düse ist aufgrund der unidirektionalen und endloslangen Fasern konisch ausgeführt. Außerdem müssen Faserumorientierungen bzw. Faseranhäufungen vermieden werden.

Der 3D-Druck gewährleistet hohe geometrische Freiheitsgrade. Zusätzlich werden die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit durch die Faserverstärkung verbessert. Ein Beispiel ist die in Abbildung 2 bzw. Abbildung 3 dargestellte Doppelschlagschlaufe, welche aus einem durchgehenden Faserbündel abgelegt wurde und die Realisierbarkeit von Hinterschneidungen demonstriert.

Die Doppelschlagschlaufe bildet das innere Skelett eines Koppelstangendemonstrators aus dem Nutzfahrzeugbereich. Hierzu wird die tragende Skelettstruktur in einem nachgelagerten Umspritzprozess mit kurzfaserverstärkten PA6-GF30 stoffschlüssig ummantelt. Der Verbund wird durch vorheriges Aufheizen der Doppelschlagschlaufe im IR-Ofen und Umspritzen mit flüssiger Spritzgussmasse sichergestellt. Die ursprünglich vorhandenen Poren werden je nach Vorheizzeit und Nachdruck minimiert. Weitere Vorteile des Umspritzens sind, dass die Kurzfasermasse die innere Struktur gegen Knicken stützt und die Krafteinleitungsaufgabe übernimmt.  

Kontakt:

Alexander Nuhn, M.Sc.
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Straße 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2017-117
E-Mail: alexander.nuhn@ivw.uni-kl.de

Dr.-Ing. Jens Schlimbach
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Straße 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2017-312
E-Mail: jens.schlimbach@ivw.uni-kl.de

Halbzeugherstellung für UD-3D-Druck. Material des Halbzeugs im Schliffbild ist PA6-GF60

Doppelschlagschlaufe mit kontinuierlicher Faserverstärkung (Material: PA6-GF60)

Doppelschlagschlaufe im Detail (Druckhöhe beträgt 18 mm)