3D-Druck-Region Mitteldeutschland soll Mekka des hochwertigen 3D-Drucks werden

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

FAULHABER Austria GmbH

Fastems Systems GmbH

EPLAN GmbH

Mitteldeutschland als „3D-Druck-Region“ mit Kunststoffen zu etablieren, haben sich 15 Partner im Rahmen des Projekts „AddiQ“ vorgenommen.

Fast 10 Milliarden Euro betrug 2022 der weltweite Umsatz, der mithilfe der additiven Fertigung erzielt wurde, sagen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das einer der Projektpartner ist. Die jährlichen Wachstumsraten in Sachen 3D-Druck lägen bei rund 20 Prozent. Schnelle Herstellungszeiten und große geometrische Gestaltungsfreiheiten prädestinieren den 3D-Druck, auch generative Fertigung genannt, unter anderem für die Herstellung von Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Die Prozesse ermöglichten es auch, schnell und flexibel auf geänderte Markt- und Kundenbedürfnisse zu reagieren. Kommen als Ausgangsmaterial kommen in diesem Fall thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz, denn damit sind die Investitionskosten für Drucker und die eingesetzten Materialien erheblich günstiger als wenn Metallpulver verwendet werden, wie es weiter heißt.

Auch kleinere Unternehmen können Innovatoren werden

Eine Herausforderung beim Einsatz der additiven Fertigung mit Kunststoffen sei allerdings die Qualitätssicherung. Das betrifft sowohl die Herstellungsverfahren als auch die damit produzierten Bauteile. Denn oft lägen noch keine ausreichenden Erfahrungswerte, Messmethoden und Standards vor. Diese Lücke zu füllen und damit einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil für Unternehmen in Mitteldeutschland zu schaffen, ist das Ziel des Vorhabens „Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung (AddiQ)“, das im Rahmen des Förderprogramms „Rubin - Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird.

Den Unternehmen vor Ort wollen die Experten Software Tools zur Verfügung stellen, die eine Dokumentation und die automatisierte Auswertung von Prozessdaten ebenso möglich machen, wie Vorhersagen der Bauteilqualität und die Integration der verschiedenen Systeme entlang der Prozesskette, präzisieren die Dresdener. Wenn das gelinge, erleichtere man die Einführung additiver Fertigungsverfahren und verbessere deren Performance. So bekommen auch regional produzierende Unternehmen die Möglichkeit, durch qualitätsgesicherte additive Verfahren hochwertige und fortschrittliche Produkte wirtschaftlich und mit hohem Automatisierungsgrad herzustellen und in die Produktion zu überführen, wie die Forscher glauben.

Damit ein Bauteilfehler nicht das ganze System lahmlegt

Das Institut ist innerhalb des Konsortiums in zwei Teilprojekten aktiv. Mit der SLV Halle GmbH, dem IKTR (Institut für Kunststofftechnologie & -recycling e.V.) aus Weißandt-Gölzau und der Studio.201 Software GmbH aus Magdeburg sollen in qualitätsgerechte Herstellung von obsoleszenten Bauteilen für das Transportwesen mittels generativer Verfahren die Möglichkeiten des 3D-Drucks genutzt werden, um Ausfallzeiten von komplexen Großgeräten wie Werkzeugmaschinen, Triebwagen, Waggons, Schiffen und Flugzeugen zu reduzieren. Beispielsweise Bahnwaggons bestehen aus vielen Baugruppen und Komponenten. Ist ein Element davon defekt und kann – etwa, weil Lieferengpässe bestehen, Hersteller nicht mehr existieren oder ihre Produktpalette verändert haben – nicht unmittelbar ausgetauscht werden, fällt im schlimmsten Fall der ganze Waggon aus, obwohl alle anderen Bauteile noch intakt sind. Das ist die Chance für den 3D-Druck mit für die Anforderungen im Transportwesen modifizierten Kunststoffen (etwa Polyactid PLA, Poylamid PA, oder einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer ABS), um schnell passende Ersatzteile herzustellen, was dann auch als Einzelstücke wirtschaftlich gelingt, so die Forscher. Der Schwerpunkt des IMWS wird dabei sein, den Prozess Fused Granulat Fabrication (FGF) mit Sensoren zu optimieren. Denn die dabei gewonnen Daten ermöglichten ein detaillierteres Verständnis über den extrusionsbasierten Prozess der Bauteilfertigung. Zugleich erlaubten sie die Optimierung und Anpassung der Parameter bei der Herstellung über Ansätze des maschinellen Lernens (ML). Im Abschluss erfolgt sowohl eine umfassende werkstoffmechanische und morphologische Bewertung der im Projekt entstandenen Demonstratoren als auch die Qualitätsprüfung sowie eine Lebenszyklusbewertung, wie es weiter heißt. Zusätzlich würden durch den Partner SLV, ein Normungs- und Standardisierungskonzept erarbeitet.

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