Beschleunigte Materialentwicklung für den 3D-Druck

Das filamentbasierte additive Fertigungsverfahren Fused Layer Modeling (FLM) erfreut sich aufgrund seiner niedrigen Einstiegshürde nicht nur bei Hobby-Usern großer Beliebtheit. Mittlerweise setzen zahlreiche Unternehmen diese Drucker zur Herstellung von Prototypen oder technischen Endbauteilen ein. Für die stete Erweiterung der Anwendungsgebiete dieser Technologie ist die Entwicklung und Qualifizierung neuartiger FLM-Materialien unabdingbar. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsvorhabens wurde dem SKZ ein Leihextruder der Fa. Thermo Fisher Scientific zur Verfügung gestellt, der den Prozess der Materialentwicklung bedeutend beschleunigen kann.

Für die Entwicklung und Qualifizierung neuer Polymerwerkstoffe werden oft kostspielige Ressourcen benötigt; insbesondere Personal-, Zeit-, Material- und Maschineneinsatz. Für die Herstellung von additivierten FLM-Materialien müssen die jeweiligen Zuschlagstoffe in einem ersten Schritt in die Polymermatrix eingearbeitet werden, bevor das Compound weiter zu Filamenten extrudiert werden kann. Die Einarbeitung der Additive erfolgt üblicherweise per Compoundierung mittels Doppelschneckenextruder. Je nach Anlagengröße erfordert dies einen hohen Material-, Rüst- sowie Reinigungsaufwand und bindet dementsprechend großvolumig Ressourcen. Doppelschneckenextruder im Labormaßstab können dabei helfen, die Effizienz deutlich zu steigern.

Beschleunigte Compoundierung durch Leih-Extruder im Labormaßstab
Im Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsprojekts des SKZ in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) werden funktionelle Additive durch Mikroverkapselung für das FLM-Verfahren qualifiziert. Dies erfordert eine hohe Anzahl an Rezepturen, die auf ihre Verarbeitbarkeit im Extruder und die anschließende Druckbarkeit getestet werden sollen. Um diesen hohen Umfang bearbeiten zu können, stellte Fa. Thermo Fisher Scientific dem SKZ zur Unterstützung zeitweise ihren Laborextruder Thermo Scientific™ Process 11 zur Verfügung. "Der Aufwand, der sich durch die Compoundierung mit unseren konventionellen, größeren Extrudern ergäbe, würde sich aufgrund der Vielzahl an Compounds multiplizieren. Mithilfe des kleinen Doppelschneckenextruders Process 11 können relativ schnell Compounds in ausreichender Menge bei gleichzeitig nur geringem Materialeinsatz hergestellt werden. So konnten beispielsweise bereits Öl-gefüllte Kapseln in das Polymer eingearbeitet und schließlich zu selbst-schmierenden Bauteilen verdruckt werden«, erklärt Patrick Limbach, Materialentwickler am SKZ.  Auch für Thermo Fisher als Mitglied des projektbegleitenden Ausschusses bringt die Leihstellung einen Mehrwert, bestätigt Dirk Leister, Leader Technical Marketing bei Thermo Fisher: „Die Teilnahme am Forschungsprojekt bietet eine sehr gute Chance unseren Process 11 Extruder zur Filamentherstellung praxisorientiert zu testen. Während der Versuche hat sich gezeigt, dass unser Designkonzept des Laborextruders hier voll aufgeht. Der geringe Mindestdurchsatz von nur 20 g/h in Verbindung mit einer einfachen und schnellen Reinigung zwischen den Batches ermöglicht ein rasches Herstellen der verschiedenen Testcompounds. Das positive Feedback der Anwender hat uns sehr gefreut.“

Innovationskraft des deutschen Mittelstandes stärken: Unternehmen willkommen
Das Forschungsprojekt mit dem Förderkennzeichen 21817 BG wird über die Fördergemeinschaft des SKZ e. V. bzw. über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Mit der vorgestellten Forschung möchte der Projektverbund unter Federführung des SKZ die Innovationskraft des deutschen Mittelstandes auf dem Feld der Materialentwicklung für die additive Fertigung stärken. Für kleine und mittlere Unternehmen sollen hoch funktionale Spezialmaterialien den Einstieg in die additive Fertigung erleichtern. Interessierte Unternehmen sind dazu eingeladen, dem projektbegleitenden Ausschuss beizutreten und an den Ergebnissen zu partizipieren. Zudem kann an die Ergebnisse durch industrielle Forschungsprojekte am SKZ angeknüpft werden.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
Das Fraunhofer IAP ist spezialisiert auf Erforschung und Entwick­lung von Polymeranwendungen. Es unterstützt Unternehmen und Partner bei der maßgeschneiderten Entwicklung und Optimierung von innovativen und nachhaltigen Materialien, Prozesshilfsmitteln und Verfahren. Neben der umweltschonenden, wirtschaftlichen Herstellung und Verarbeitung von Polymeren im Labor- und Pilotanlagenmaßstab bietet das Institut auch die Charakterisierung von Polymeren an.