Additive Fertigung endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile mit dem Laser-Sinterprozess

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Leichtbau, Textiltechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530064792

Der Einsatz von endlosfaserverstärkten Faserkunststoffverbunden (eFKV) besitzt ein enormes Potenzial, um wirtschaftlich sowie effektiv den CO2-Austoß von aktuellen und zukünftigen Mobilitätsanwendungen signifikant zu reduzieren. Endlosfaserverstärkte FKV zeichnen sich durch ihre hohen mechanischen Eigenschaften bei einer gleichzeitig geringen Masse aus. Durch die Verwendung von Endlosfasern können Bauteile lastpfadgerecht, d.h. in Belastungsrichtung, gezielt verstärkt werden, wodurch eFKV eine wichtige Basis für die Erforschung und Entwicklung hochbelasteter Produkte bilden. Neben der Reduzierung des CO2-Austoßes durch Leichtbau bildet der durch die Globalisierung und Digitalisierung getriebene Trend zu mehr Individualisierung und kürzeren Verfügbarkeit von Produkten eine wesentliche Herausforderung für das produzierende Gewerbe. Damit sich Unternehmen dem sich wandelnden Markt anpassen können, bedarf es neue Prozesse, die kundenspezifische Lösungen bereits ab Losgröße 1 fertigen können. Hohes Lösungspotential bietet dabei die Additive Fertigung. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen einen klaren Trend hin zur Fertigung von eFKV-Komponenten mithilfe extrusions- und harzbasierter Verfahren. Allerdings verfügen die im Stand der Forschung vorgestellten Verfahren zur 2D- und 3D-Faserversträrkung erhebliche Nachteile. Es sind entweder nachgelagerte Prozessschritte oder prozessbedingt Stützstrukturen erforderlich, welche nach Fertigstellung entfernt und entsorgt werden müssen. Weiterhin sind durch die Verwendung von Stützstrukturen Überhänge, Hohlräume sowie Hinterschnitte nur begrenzt möglich. Zur Vermeidung der Defizite haben sich in der Industrie pulverbettbasierte Verfahren, darunter das Laser-Sintern von Kunststoffen, etablieren können. Das Laser-Sintern ermöglicht die Herstellung von Funktionsbauteilen in Spritzgussqualität mit einem hohen Individualisierungsgrad und hohen Leichtbaucharakter, wodurch sich das LS-Verfahren für die Herstellung von eFKV qualifiziert. Die schichtbezogene Integration von Endlosfasern im Laser-Sinterprozess und die damit in Verbindung stehenden Bauteil-Maschine-Wechselwirkungen konnten aufgrund des fehlenden Anlagenkonzepts bisher nicht untersucht werden. Der Anwendungsbereich sowie das Potential des LS-Verfahrens werden dadurch eingeschränkt. Mithilfe einer am wbk Institut für Produktionstechnik entwickelten eFKV-Sinteranlage konnte die technische Machbarkeit zur gezielten 2D-Integration von Endlosfasern in den Laser-Sinterprozess nachgewiesen werden. In diesem Vorhaben soll die in diesem Verfahren vorhandenen Einflüsse und Wechselwirkungen verstanden, ein umfassendes Prozessverständnis für den eFKV-Sinterprozess erarbeitet werden. Die übergeordneten Ziele dieses Vorhabens sind die Aufklärung der prozess- und materialseitigen Wirkzusammenhänge sowie die Optimierung der mechanischen Eigenschaften der Sinterbauteile durch 2D-Endlosfaserintegration.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen