Additiv gefertigte Schaumsandwichstrukturen – ein neuartiger Ansatz zur generativen Herstellung und Charakterisierung von schaumbasierten, dreidimensional gradierten Werkstoffen für den Leichtbau

• Antragsteller: Dr.-Ing. Wilfried Liebig, seit 11/2022
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406069344

Ziel des Projektes ist, einen Fertigungsprozess für dreidimensional schäumend gedruckte Sandwichbauteile zu entwickeln, der es erlaubt diese Verbunde - ähnlich integriert wie dies heute mit schaumspritzgegossenen Verbunden möglich ist - herzustellen und gleichzeitig die Prozess-Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen abzuleiten. Ein Fertigungsverfahren für solche Bauteile, welches bislang noch nicht technisch verwirklicht wurde und im Rahmen dieses Projekts entwickelt werden soll, basiert auf dem Arburg Kunststoff Freiformen (AKF). Anders als bei herkömmlichen Verfahren der additiven Fertigung - wie z.B. dem Drucken von Filamenten - werden beim Einsatz des Arburg Freeformers Standardgranulate wie beim Spritzgießen aufgeschmolzen. Wird hierbei das Granulat mit einem geeigneten Treibmittel versetzt, kann ein direktes Drucken von geschäumten „Tropfen“ erzielt werden, wobei der Schäumgrad durch die Prozessparameter gesteuert werden kann. Hiermit können gradiert geschäumte Sandwichstrukturen additiv gefertigt werden mit dem Vorteil einer hohen Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Übertragbarkeit von Flächenstrukturen auf 3D Strukturbauteile. Dabei sind Schichtdicke bzw. Gradierung des Schaumes über einen Zweikomponentendruck (geschäumt/kompakt) einstellbar und eine optimale Anpassung der Querschnittsgeometrie an die Bauteilbelastung kann erreicht werden. Weitere Vorteile ergeben sich sowohl in der Oberflächenqualität der Bauteile, der Schwindungskompensation durch das Schäumen und der Möglichkeit der Integration von Funktionselementen. Im geplanten Projekt, soll zunächst das Fertigungsverfahren auf Basis der von den Antragstellern dargelegten Vorarbeiten entwickelt werden. Um dies zu erreichen, werden zunächst geeignete Materialsysteme ausgewählt und für das Schaumdrucken weiterentwickelt. Anschließend werden geeignete Prozessparameter ermittelt und die hergestellten Prüfkörper prozessbegleitend werkstoffkundlich charakterisiert. Die Aufklärung der Mikrostruktur erfolgt im Wesentlichen dreidimensional mit Hilfe der Mikroröntgencomputertomographie (µ-CT). Von Interesse sind dabei insbesondere die Größe und Verteilung der Poren im Schaumkern und die Verteilung von kompakten und geschäumten Bereichen. Diese Strukturkennwerte sollen dann mit den in späteren Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften sich ergebenden Resultaten korreliert werden. Dazu gehören Untersuchungen zum Verhalten der Sandwiches unter bauteilnahen Beanspruchungen, wie z.B. quasistatischer Biegebeanspruchungen, das Impactverhalten sowie das Schädigungsverhalten unter den verschiedenen Beanspruchungsarten. Die grundlegenden Zusammenhänge werden dabei zunächst an flächigen Strukturen aufgeklärt und bei ausreichendem Prozess- und Materialverständnis auf komplexere dreidimensionale Strukturen übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Kay A. Weidenmann
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Elsner, bis 11/2022 (†)