Erforschung der Wirkzusammenhänge in der additiven Fertigung von Elastomerbauteilen mit funktional gradierten Materialeigenschaften anhand einer neuartigen Dosier- und Mischeinheit sowie einer inline-fähigen Vulkanisationseinheit – ElastAM

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Döpper; Dr.-Ing. Benjamin Klie
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563931574

Die additive Fertigung (AF) von hochgefüllten und zu vernetzenden ‎Kautschukmischungen hat sich, auch aufgrund der wissenschaftlichen Arbeiten des ‎Antragstellers, in den letzten Jahren stark entwickelt. So konnten Anlagen aufgebaut und ‎in Betrieb genommen werden, die im layerbasierten FDM-Verfahren (Fused Deposition ‎Modeling) hoch- bzw. niederviskose Kautschukmischungen zu vollvolumigen oder ‎strukturgradierten (durch Variation des "Infills") Bauteilen additiv verarbeiten können. ‎Aufgrund des plastischen Fließverhaltens unvernetzter Elastomermaterialien können diese ‎schichtweise aufgebauten Bauteile durch ihr eigenes Gewicht ab einer ‎rezepturspezifischen kritischen Schichthöhe kollabieren. Dies schränkt derzeit die ‎geometrische Freiheit des AF-Prozesses speziell bei hohen Bauteilen maßgeblich ein. ‎Nach dem AF-Prozess erfolgt die Geometriestabilisierung der Bauteile durch den ‎Vernetzungsvorgang in einem Post-Prozessschritt im Hochdruckautoklav. Hier wird eine ‎zeitlich definierte chemische Reaktion gestartet, deren Kinetik von Druck und Temperatur, ‎der stofflichen Konzentration und der Zusammensetzung des Vernetzungssystems ‎abhängig ist. Durch diesen Prozess wird das additiv gefertigte Halbzeug in ein elastisches ‎und geometriestabiles Bauteil überführt. Dieser zusätzliche externe Prozessschritt ‎verlängert derzeit die Fertigungszeit. Erste Voruntersuchungen an einem externen ‎Prüfstand mit einem IR-Strahler haben Potentiale gezeigt, den Energieeintrag der ‎Strahlquelle zu nutzen, um einzelne gedruckte Layer zu erwärmen und zu vernetzen, um ‎sie geometrisch zu stabilisieren und entsprechende Bauteilhöhen zu realisieren. Während die Einstellung von Bauteileigenschaften auf makroskopischer und ‎mesoskopischer Ebene durch die Veränderung der Grundgestalt, z.B. mittels Anpassung ‎der äußeren Beschaffenheit von Bauteilen durch Gitterstrukturen, bereits erfolgreich ‎umgesetzt wird, ist die Anpassung auf mikroskopischer Ebene noch weitestgehend ‎unerforscht. Durch mikroskopische Anpassung lassen sich makroskopische ‎Bauteileigenschaften, wie Dichte, Härte oder mechanische Eigenschaften, lokal einstellen ‎und Bauteile funktionell gradieren.‎ In diesem Vorhaben soll ein Materialsystem bestehend aus einer niederviskosen ‎Kautschukgrundmischung (Kautschuk, Füllstoffe, Additive) und einem fließfähigen ‎Vernetzer-Stoffgemisch (Trägermaterial, Vernetzungssystem) entwickelt und erforscht ‎werden, welches die AF von gradierten Monomaterialbauteilen realisiert. Um dies zu ‎ermöglichen wird ein AF-Prozess für die Vermengung der Komponenten in variablen ‎stofflichen Mischungsverhältnissen mit einer dynamischen Mischeinheit entwickelt, der die ‎bisher durch statische Mischer auftretenden Latenzzeiten eliminiert. Aufbauend auf die ‎Voruntersuchungen wird zusätzlich eine IR-Vulkanisationseinheit in den Drucker integriert, ‎um die "Inline"-Fähigkeit des Vernetzungsprozesses der additiv gefertigten ‎Elastomerbauteile zu erforschen.‎

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen