Der 3D-Druck gewinnt bei der Fertigung von Prototypen und Produktion von Endbauteilen zunehmend an Bedeutung. Additive wie Farb- und Duftstoffe, Füll- und Schmierstoffe oder Biozide verleihen den gedruckten Kunststoffobjekten individuelle funktionale Eigenschaften. Die Einarbeitung dieser Zusätze in den Kunststoff ist häufig nicht einfach, denn viele Zuschlagstoffe eignen sich nicht für das filamentbasierte 3D-Druckverfahren. Das Kunststoff-Zentrum SKZ und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP nutzen daher die Mikroverkapselung, um eine breite Palette von Additiven auch für 3D-Druckfilamente verfügbar zu machen.
Die additive Fertigung oder 3D-Druck ist bei der Produktentwicklung in der Industrie inzwischen Standard. Dort, wo individualisierte Bauteile in kleinen Stückzahlen und komplexen oder filigranen Geometrien benötigt werden, entfaltet sie zunehmend ihr Potenzial. Neben der passenden Fertigungs- und Produktionsmethode sind vor allem maßgeschneiderte Materialien ein entscheidender Faktor für einen erfolgreichen Einsatz. Für den filamentbasierten 3D-Druck ist die Auswahl an Materialien bislang jedoch noch begrenzt. Das Kunststoff-Zentrum SKZ und das Fraunhofer IAP haben sich daher zum Ziel gesetzt, die Palette an Filamentmaterialien durch den Zusatz von Additiven deutlich zu erweitern, um das technologische und wirtschaftliche Potenzial dieser Technik noch stärker auszuschöpfen. „Der Clou ist, dass wir auch mikroverkapselte Additive wie bspw. Schmierstoffe in Filamente einbringen werden. Das gedruckte Bauteil erhält somit eine neue Funktion: Es kann sich selbst schmieren“, erklärt Dr. Alexandra Latnikova, Spezialistin für Mikroverkapselung am Fraunhofer IAP. „Nicht jedes beliebige Additiv ist jedoch dafür geeignet, da filamentbasierte 3D-Drucktechniken ihre Grenzen haben“, so Latnikova.
Herausforderung: Materialentwicklung für filamentbasierten 3D-Druck
Beim filamentbasierten 3D-Druck – kurz „Fused Layer Modeling“ (FLM) oder „Fused Filament Fabrication“ (FFF) – wird ein Kunststoffstrang, das Filament, in einem Hotend aufgeschmolzen, durch eine Düse gedrückt und in dünnen Schichten auf einer Bauplattform abgelegt. Das Filament besteht aus Kunststoff, der sich beim Erhitzen erweicht und erst in diesem Zustand die Düse passieren kann. „Genau an diesem Punkt liegt die Herausforderung, denn wenn Additive in das Filament eingearbeitet wurden, befinden sich darin Partikel, die verklumpen und zu Verstopfungen der Düse führen können. Die Düse ist also der limitierende Faktor. Wir werden in unseren umfangreichen Untersuchungen ermitteln, mit welchen Additiven 3D-Druck möglich ist“, erklärt Latnikova.
Screening von Additiven: von fest bis flüssig
In einem ersten Schritt testet das Forscherteam systematisch, welche kommerziellen und selbst entwickelten Polymeradditive sich für die Herstellung von Filamenten und den Druckprozess grundsätzlich eignen. „Wir untersuchen Charakteristika wie Partikelgröße, Oberflächeneigenschaften, thermische Stabilität und Füllgrad und testen die Grenzen der Möglichkeiten aus. Im zweiten Schritt setzen wir unsere speziell entwickelten Mikrokapseln ein“, erklärt Patrick Limbach, Materialentwickler am SKZ. Bei der Mikroverkapselung bringt das Fraunhofer IAP sein umfangreiches Knowhow ein. Diese Technologie ermöglicht es, auch komplexere Additive herzustellen. Dafür umhüllen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Funktionsadditive mit einer dünnen Polymerwand. So können auch Flüssigkeiten wie Schmier-, Duft- und Farbstoffe oder auch Biozide in Kunststoffe eingebracht werden. Größe, thermische Stabilität und Oberflächeneigenschaften dieser Partikel sind maßgeschneidert. „Wir verleihen den Materialien viele smarte Funktionen. Beispielsweise können mikroverkapselte Farbstoffe die Defekte gedruckter Bauteile anzeigen, da bei einer Schädigung der Kapseln im Werkstoff Farbe austritt. In einem Vorgängerprojekt haben wir bereits erfolgreich gezeigt, dass mikroverkapselte Schmierstoffe Spritzgussbauteilen selbstschmierende Eigenschaften verleihen. Dadurch kann der Materialverschleiß, der normalerweise durch Reibung an Bauteilen entsteht, um bis zu 85 Prozent reduziert werden. Diese Ergebnisse übertragen wir nun auf den 3D-Druck“, sagt Limbach.
Innovationskraft des deutschen Mittelstandes stärken: Unternehmen willkommen
Mit dieser Forschung möchte der Projektverbund die Innovationskraft des deutschen Mittelstandes auf dem Feld der Materialentwicklung für die additive Fertigung stärken. „Unser Ziel ist es, mit einer breiten Palette an hoch funktionalen Filamentmaterialien die Kundenakzeptanz für 3D-Druckverfahren und die Marktdiversifizierung zu steigern. Für kleine und mittlere Unternehmen sollen diese anwendungsspezifischen Spezialmaterialien den Einstieg in die additive Fertigung erleichtern. Wir laden interessierte Unternehmen ein, unserem projektbegleitenden Ausschuss beizutreten, Anregungen und Ideen einzubringen und an den Ergebnissen zu partizipieren“, erklären Latnikova und Limbach. Das Projekt adressiert vor allem Unternehmen, die Teil der Produktionskette für filamentbasierten 3D-Druck sind, also Mikroverkapsler, Hersteller und Distributeure von Kunststoffaditiven, Compoundeure, Hersteller von Anlagensystemen sowie Dienstleister im Bereich filamentbasierter 3D-Druck.
Zum Projekt:
Das zweijährige, im Juni 2021 gestartete 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.
Das Fraunhofer IAP macht Materialien fit für die Zukunft. Kreative Lösungen sind der Schlüssel, um die Herausforderungen der Gegenwart und der Zukunft zu meistern – ob Klimawandel, Pandemien, Energiewende, Strukturwandel oder neue Mobilitätskonzepte. Am Fraunhofer IAP stellen wir uns dieser Aufgabe mit innovativen Materialien, Prozessen und Technologien. Wir adressieren die gesamte Wertschöpfungskette – von der Idee bis zum Prototypen nach Maß.
Die additive Fertigung oder 3D-Druck ist bei der Produktentwicklung in der Industrie inzwischen Standard. Dort, wo individualisierte Bauteile in kleinen Stückzahlen und komplexen oder filigranen Geometrien benötigt werden, entfaltet sie zunehmend ihr Potenzial. Neben der passenden Fertigungs- und Produktionsmethode sind vor allem maßgeschneiderte Materialien ein entscheidender Faktor für einen erfolgreichen Einsatz. Für den filamentbasierten 3D-Druck ist die Auswahl an Materialien bislang jedoch noch begrenzt. Das Kunststoff-Zentrum SKZ und das Fraunhofer IAP haben sich daher zum Ziel gesetzt, die Palette an Filamentmaterialien durch den Zusatz von Additiven deutlich zu erweitern, um das technologische und wirtschaftliche Potenzial dieser Technik noch stärker auszuschöpfen. „Der Clou ist, dass wir auch mikroverkapselte Additive wie bspw. Schmierstoffe in Filamente einbringen werden. Das gedruckte Bauteil erhält somit eine neue Funktion: Es kann sich selbst schmieren“, erklärt Dr. Alexandra Latnikova, Spezialistin für Mikroverkapselung am Fraunhofer IAP. „Nicht jedes beliebige Additiv ist jedoch dafür geeignet, da filamentbasierte 3D-Drucktechniken ihre Grenzen haben“, so Latnikova.
Herausforderung: Materialentwicklung für filamentbasierten 3D-Druck
Beim filamentbasierten 3D-Druck – kurz „Fused Layer Modeling“ (FLM) oder „Fused Filament Fabrication“ (FFF) – wird ein Kunststoffstrang, das Filament, in einem Hotend aufgeschmolzen, durch eine Düse gedrückt und in dünnen Schichten auf einer Bauplattform abgelegt. Das Filament besteht aus Kunststoff, der sich beim Erhitzen erweicht und erst in diesem Zustand die Düse passieren kann. „Genau an diesem Punkt liegt die Herausforderung, denn wenn Additive in das Filament eingearbeitet wurden, befinden sich darin Partikel, die verklumpen und zu Verstopfungen der Düse führen können. Die Düse ist also der limitierende Faktor. Wir werden in unseren umfangreichen Untersuchungen ermitteln, mit welchen Additiven 3D-Druck möglich ist“, erklärt Latnikova.
Screening von Additiven: von fest bis flüssig
In einem ersten Schritt testet das Forscherteam systematisch, welche kommerziellen und selbst entwickelten Polymeradditive sich für die Herstellung von Filamenten und den Druckprozess grundsätzlich eignen. „Wir untersuchen Charakteristika wie Partikelgröße, Oberflächeneigenschaften, thermische Stabilität und Füllgrad und testen die Grenzen der Möglichkeiten aus. Im zweiten Schritt setzen wir unsere speziell entwickelten Mikrokapseln ein“, erklärt Patrick Limbach, Materialentwickler am SKZ. Bei der Mikroverkapselung bringt das Fraunhofer IAP sein umfangreiches Knowhow ein. Diese Technologie ermöglicht es, auch komplexere Additive herzustellen. Dafür umhüllen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Funktionsadditive mit einer dünnen Polymerwand. So können auch Flüssigkeiten wie Schmier-, Duft- und Farbstoffe oder auch Biozide in Kunststoffe eingebracht werden. Größe, thermische Stabilität und Oberflächeneigenschaften dieser Partikel sind maßgeschneidert. „Wir verleihen den Materialien viele smarte Funktionen. Beispielsweise können mikroverkapselte Farbstoffe die Defekte gedruckter Bauteile anzeigen, da bei einer Schädigung der Kapseln im Werkstoff Farbe austritt. In einem Vorgängerprojekt haben wir bereits erfolgreich gezeigt, dass mikroverkapselte Schmierstoffe Spritzgussbauteilen selbstschmierende Eigenschaften verleihen. Dadurch kann der Materialverschleiß, der normalerweise durch Reibung an Bauteilen entsteht, um bis zu 85 Prozent reduziert werden. Diese Ergebnisse übertragen wir nun auf den 3D-Druck“, sagt Limbach.
Innovationskraft des deutschen Mittelstandes stärken: Unternehmen willkommen
Mit dieser Forschung möchte der Projektverbund die Innovationskraft des deutschen Mittelstandes auf dem Feld der Materialentwicklung für die additive Fertigung stärken. „Unser Ziel ist es, mit einer breiten Palette an hoch funktionalen Filamentmaterialien die Kundenakzeptanz für 3D-Druckverfahren und die Marktdiversifizierung zu steigern. Für kleine und mittlere Unternehmen sollen diese anwendungsspezifischen Spezialmaterialien den Einstieg in die additive Fertigung erleichtern. Wir laden interessierte Unternehmen ein, unserem projektbegleitenden Ausschuss beizutreten, Anregungen und Ideen einzubringen und an den Ergebnissen zu partizipieren“, erklären Latnikova und Limbach. Das Projekt adressiert vor allem Unternehmen, die Teil der Produktionskette für filamentbasierten 3D-Druck sind, also Mikroverkapsler, Hersteller und Distributeure von Kunststoffaditiven, Compoundeure, Hersteller von Anlagensystemen sowie Dienstleister im Bereich filamentbasierter 3D-Druck.
Zum Projekt:
Das zweijährige, im Juni 2021 gestartete 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.
Das Fraunhofer IAP macht Materialien fit für die Zukunft. Kreative Lösungen sind der Schlüssel, um die Herausforderungen der Gegenwart und der Zukunft zu meistern – ob Klimawandel, Pandemien, Energiewende, Strukturwandel oder neue Mobilitätskonzepte. Am Fraunhofer IAP stellen wir uns dieser Aufgabe mit innovativen Materialien, Prozessen und Technologien. Wir adressieren die gesamte Wertschöpfungskette – von der Idee bis zum Prototypen nach Maß.
