Mit 3D-Drucker passgenaue Kunststoff-Teile für den Leichtbau herstellen

3D-Drucker werden immer wichtiger: Schnell lassen sich mit ihnen gewünschte Produkte herstellen. Auch an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) arbeiten Forscher damit: Um das Druckergebnis bei Kunststoffen zu optimieren, untersuchen sie, wie die Bedingungen während des Drucks aussehen müssen. Dabei spielt auch die Zusammensetzung des Materials eine Rolle. Bei ihrem faserverstärkten Kunststoff setzen sie auf Fasern, die komplett – wie eine Schnur – in den Kunststoff eingebaut werden. Interessant ist das etwa für den Leichtbau bei Fahrzeugen. Auf der Hannover Messe vom 1. bis zum 5. April stellen sie ihre Arbeit am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 2, Stand B40) vor.

Der Markt von 3D-Druckern wächst. Laut einer Untersuchung des US-amerikanischen Marktforschungsinstitutes SmarTech Publishing ist er 2018 um 18 Prozent gewachsen. Die Technik macht es beispielsweise möglich, filigranere Bauteile zu fertigen. Um solche Druckerzeugnisse leicht, dabei aber auch stabil und fest zu machen, sind faserverstärkte Kunststoffe oft das Mittel der Wahl.

Auch Kaiserslauterer Ingenieure beschäftigen sich mit diesem Material und der Technik. „Wir arbeiten daran, Produkte aus Kunststoff mit dem 3D-Druck derart herzustellen, dass diese optimal für ihre Verwendung sind“, sagt Miaozi Huang, Doktorand am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe bei Professor Dr. Alois Schlarb im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik.

Das Besondere: Zum Einsatz kommen bei ihren faserverstärkten Kunststoffen sogenannte Endlosfasern. Diese werden als Ganzes – ähnlich wie eine Schnur – in den Kunststoff eingebaut. Bei anderen Verfahren werden solche Fasern nicht am Stück, sondern als einzelne Mikropartikel beigemischt. Die Kunststoffe, bei denen Endlosfasern Verwendung finden, haben einen klaren Vorteil, wie der Doktorand erläutert: „Dadurch ist das fertige Produkt deutlich stabiler. Es besitzt eine höhere Steifigkeit.“

Das Team um Huang befasst sich damit, den Druckprozess zu verbessern. „Wir untersuchen, wie die Strukturen des Kunststoffs beschaffen sein müssen, damit das Produkt höhere Lasten tragen kann.“ Auch prüfen die Ingenieure, wie die Parameter am Drucker eingestellt sein müssen, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Dazu zählen beispielsweise Temperatur, Schichthöhe oder Druckgeschwindigkeit. Wichtig sind in diesem Zusammenhang außerdem der Aufbau und die Ausrichtung der einzelnen Kunststoff-Schichten. Darüber hinaus experimentieren die Wissenschaftler mit unterschiedlichen Kunststoffen, die sie zum Teil selbst entwickelt haben.

Die 3D-Drucktechnik bietet den Forschern außerdem verschiedene Möglichkeiten bei der Produktion. „Wir können damit äußerst dünne Schichten herstellen“, sagt Huang. Auch sind sie in der Lage, ihre Produkte nur an gewünschten Stellen zu verstärken. An anderen Stellen kann wiederum Material eingespart werden.

Vor allem für den Leichtbau ist das interessant: An Karosserien und den Antrieben von Fahrzeugen oder den Hebeln von Fahrrädern ließe sich beispielsweise gezielt Material sparen. Nur an Stellen, an denen die Bauteile einer hohen Belastung etwa durch Druck ausgesetzt sind, können sie verstärkt werden, exakt nach dem Vorbild der Natur. Auf der Hannover Messe stellen die Forscher ihre Arbeit und ihren 3D-Drucker vor.

Fragen beantwortet:
Dipl.-Ing. Miaozi Huang
Tel.: 0631 205-5545
E-Mail: miaozi.huang(at)mv.uni-kl.de

Der Auftritt der Forscher der TU Kaiserslautern auf der Messe wird von Klaus Dosch vom Referat für Technologie und Innovation organisiert. Er ist Ansprechpartner für Unternehmen und vermittelt unter anderem Kontakte zur Wissenschaft. Kontakt: Klaus Dosch, E-Mail: dosch(at)rti.uni-kl.de, Tel. (auch während der Messe): 0631 205-3001