TU Kaiserslautern: Intelligente Software für den 3D-Druck optimiert Eigenschaften von Bauteilen aus Kunststoff

Mit 3D-Druckern lassen sich Bauteile flexibel produzieren. Auch an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) arbeiten Forscher damit: Um das Druckergebnis bei Kunststoffen zu optimieren, haben sie eine Software entwickelt, die Parameter wie Temperatur und Druckgeschwindigkeit während des Drucks anpassen kann. Gerade Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Schichten, die sich bei der Produktion ergeben, können sich negativ auf die Eigenschaften des Kunststoffs auswirken. Mit ihrer Software können die Forscher dies umgehen. Auf der Hannover Messe vom 30. Mai bis zum 2. Juni stellen sie ihre Arbeit am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 2, Stand B46) vor.

Beim 3D-Druck wird ein Bauteil Schicht um Schicht entlang eines vorgegebenen Pfads gedruckt. Ohne viel Aufwand können Unternehmen mit dieser Technik produzieren. Doch verschiedene Parameter wie Temperatur, Druckgeschwindigkeit, Druckrichtung, Schichthöhe und Geometrie des Bauteils können das Druckergebnis beeinflussen.

Am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe bei Professor Dr.-Ing. Alois K. Schlarb an der TUK befasst sich das Team mit 3D-Druck-Technologien. Dabei geht es den Forschern unter anderem darum, die Eigenschaften der Druckerzeugnisse zu optimieren. „Ist eine Schicht gedruckt, kühlt sie ab. Wird die nächste Schicht darüber aufgetragen, hat diese eine höhere Temperatur als die darunter, die Schicht darunter heizt sich wieder auf“, erläutert Miaozi Huang, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl. „Diese Kontakttemperatur beziehungsweise lokale Temperatur zwischen bereits gedrucktem und dem aktuell zu druckendem Strang beeinflusst die Qualität der Bindenaht beziehungsweise der Verschweißung.“ Diese spielt eine große Rolle für die Eigenschaften des Erzeugnisses. Im fertigen Bauteil stellt sie eine Schwachstelle dar, vor allem wenn die lokale Temperatur bei der Erzeugung der Bindenähte nicht hoch genug war.

Hier setzt die Arbeit der Kaiserslauterer Ingenieure an: Das Team hat eine Software entwickelt, die während des Drucks dafür sorgt, dass sich verschiedene Konstanten wie Temperatur der Druckdüse oder die Druckgeschwindigkeit flexibel ändern lassen – je nach Form des Bauteils und des eingesetzten Kunststoffes. „Ziel unserer Technologie ist es, die Werkstoffeigenschaften optimal auszuschöpfen“, sagt Alexander Schlicher, der sich am Lehrstuhl mit der Implementierung der Konzepte beschäftigt. „Ähnliche Verfahren gibt es bislang noch nicht.“ Das Besondere an der Software ist, dass die Forscher für jede einzelne Bewegung des Druckvorgangs die Parameter flexibel ändern können.

Im Labor haben sie das neue Verfahren bereits erprobt. Zwei Proben, die eine mit herkömmlicher Software, die andere mit der neuen Technik gedruckt, unterscheiden sich dabei in ihrer Struktur, wie sich unter dem Mikroskop beobachten lässt. „Auch bei den Eigenschaften ist der Unterschied da, insbesondere bei der Zugfestigkeit quer zur Druckrichtung „, so Huang weiter. „Mit unserem Verfahren lassen sich die Schwachstellen bei den Druckerzeugnissen ausmerzen.“ So ist es bei dieser Methode beispielsweise möglich, die Kontakttemperaturen zwischen zwei Strängen im für die jeweilige Formteilgeometrie optimalen Bereich zu halten.

Wichtig sind solche Optimierungen beispielsweise für die Steigerung der Lebensdauer eines Bauteils. Mit dem Verfahren des Kaiserslauterer Teams lassen sich Schwachstellen im Kunststoff vermeiden. Auf der Hannover Messe stellen die Ingenieure es vor.

Der Artikel basiert auf einer Pressemitteilung von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK).