Genaue, flexible und modulare 6dimensionale additive Fertigungsplattform mit individueller in-situ Analyse

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Börret; Professor Dr. Andreas Heinrich; Professor Dr. Harald Riegel
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326738811

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die additive Fertigung (3D-Druck) ist ein Herstellungsverfahren, bei dem Bauteile schichtweise aus Material aufgebaut werden, wodurch komplexe Geometrien ohne Materialverlust entstehen. Sie erfolgt in drei Freiheitsgraden (x, y, z): Das Material wird horizontal (x, y) positioniert und schichtweise in der Höhe (z) aufgebaut. Diese Technik ermöglicht die Fertigung komplexer Strukturen ohne spezielle Werkzeuge oder Formen und ist besonders effizient für individuelle Bauteile und Prototypen. Die roboterbasierte additive Fertigung erweitert diesen klassischen 3D-Druck durch sechs oder mehr Freiheitsgrade, wodurch der Druckkopf flexibel bewegt werden kann. Dies ermöglicht die Fertigung komplexer Geometrien ohne Stützstrukturen, die Beschichtung von bereits existierenden Bauteilen, oder auch die Kombination verschiedener Materialien. Zudem verbessert die optimierte Schichtanordnung die mechanischen und optische Eigenschaften der Bauteile. Ziel dieses Projektes war es, eine Roboter basierte additive Fertigungsplattform zu entwickeln. Kernelemente bilden dabei zwei Roboter, wobei ein Roboter einen Ink-Jet Druckkopf trägt (zur Deposition von UV-härtbaren Materialien), bzw. ein zweiter Roboter entweder eine Analyseeinheit (z.B. konfokaler Sensor zur Schichtdickenmessung) oder eine UV-Aushärteeinheit (UV-DLP-Projketionssystem). Entscheidend ist nun, dass die additive Fertigung auf bereits existierenden 3D-geformten Bauteilen erfolgen soll. Aus diesem Grund wird das Bauteil auf einem Hexapod fixiert und kann so ebenfalls mit 6 Freiheitsgraden bewegt werden. Für den Druckvorgang wird der Inkjet Druckkopf oberhalb des Bauteils mit Hilfe des Roboters positioniert. Während des Druckvorgangs wird jedoch das Bauteil mit Hilfe des Hexapods unterhalb des Druckkopfs bewegt, um so eine höhere Druckgenauigkeit zu erreichen. Das flüssige Polymer wird anschließend mit einem Lasersystem oder einem DLP System ausgehärtet. Im Falle des DLP Systems besteht dabei die Möglichkeit einer überlappenden Doppelbelichtung, um so höhere Strukturgenauigkeiten zu erreichen. Des Weiteren können in einer modularen Bauweise Analyseeinheiten mit in die Plattform integriert werden. Z.B. ein (Infrarot) Kamerasystem, um während der Fertigung diese visuell zu überwachen, ein konfokales System, um z.B. Schichtdickenmessungen durchzuführen, oder ein Lasersystem, um optische Eigenschaften der Bauteile in-situ zu überprüfen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 3D Printing of Optical Components. Springer Series in Optical Sciences, 2021. Springer International Publishing.
  Heinrich, Andreas (Ed.)
  
• “Directed Self-Assembly of Polystyrene Nanosphere Lithography Masks Using Additively Printed Templates”, 14th International Conference on Physics of Advanced Materials (2022)
  A. Wolff, Y. Bauckhage, A. Heinrich & J.K.N. Lindner
  
• Accuracy evaluation of a new 3D photogrammetric position measurement system for 6D Printing. Photonic Instrumentation Engineering X, 15. SPIE.
  Garcia-Barth, Luis; Bielke, Uwe & Börret, Rainer
  
• Evaluation of a 6-DOF inkjet printer for the production of microstructures on curved surfaces using UV curable resin. Eleventh European Seminar on Precision Optics Manufacturing, 8. SPIE.
  Reck, Christoph; Wilczek, Adam & Börret, Rainer