Software für den 3D-Druck optimiert Eigenschaften von Kunststoffbauteilen
Forschende der TU Kaiserslautern können durch softwaregestützte Regelung von Temperatur und Geschwindigkeit die Eigenschaften von Kunststoffbauteilen im 3D-Drucker gezielt ändern.
Das Team um Miaozi Huang setzt beim 3D-Druck auf eine intelligente Software, um die Eigenschaften von Bauteilen aus Kunststoff zu optimieren.
Foto: TUK/Koziel
Schicht für Schicht entstehen Bauteile im 3D-Drucker üblicherweise entlang eines vorgegebenen Pfads. Viele Unternehmen produzieren mittlerweile ohne viel Aufwand mit dieser Technik. Dabei bestimmen Parameter wie Temperatur, Druckgeschwindigkeit, Druckrichtung, Schichthöhe und Geometrie des Bauteils, wie das Druckergebnis ausfällt.
Ein Team um Alois K. Schlarb forscht am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe der Technischen Universität Kaiserslautern an verschiedenen 3D-Druck-Technologien. Im Fokus der Forschenden steht vor allem die Frage, wie sich die Eigenschaften der Druckerzeugnisse optimieren lassen. „Ist eine Schicht gedruckt, kühlt sie ab. Wird die nächste Schicht darüber aufgetragen, hat diese eine höhere Temperatur als die darunter. Die Schicht darunter heizt sich wieder auf“, erläutert Miaozi Huang, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl. „Diese Kontakttemperatur beziehungsweise lokale Temperatur zwischen bereits gedrucktem und dem aktuell zu druckendem Strang beeinflusst die Qualität der Bindenaht beziehungsweise der Verschweißung.“ Für die Eigenschaften des Erzeugnisses spielt diese die entscheidende Rolle. Sie kann zur Schwachstelle im fertigen Bauteil werden, insbesondere dann, wenn die lokale Temperatur bei der Erzeugung der Bindenähte nicht hoch genug war.
Software ermöglicht Änderung verschiedener Konstanten im Druckprozess
Hier setzen die Kaiserslauterner Ingenieure an: Sie haben eine Software entwickelt, die während des Druckprozesses die Änderung verschiedener Konstanten wie Temperatur der Druckdüse oder die Druckgeschwindigkeit flexibel ermöglicht – sowohl bezüglich der Form des Bauteils als auch des eingesetzten Kunststoffes.
„Ziel unserer Technologie ist es, die Werkstoffeigenschaften optimal auszuschöpfen“, sagt Alexander Schlicher, der am Lehrstuhl die Implementierung der Konzepte umsetzt. Ähnliche Verfahren gebe es bislang nicht, meint er. Das Besondere an der Software: Die Parameter jeder einzelnen Bewegung des Druckvorgangs lassen sich flexibel ändern.
Schwachstellen bei den Druckerzeugnissen ausmerzen
Das neue Verfahren hat seinen Härtetest bereits im Labor bestanden. Eine Probe wurde mit herkömmlicher Software erzeugt, die andere Probe entstand mit der neuen Technik. Unterschiede zwischen beiden, vor allem in ihrer Struktur, macht das Mikroskop sichtbar. „Auch bei den Eigenschaften ist der Unterschied da, insbesondere bei der Zugfestigkeit quer zur Druckrichtung“, sagt Miaozi Huang.
„Mit unserem Verfahren lassen sich die Schwachstellen bei den Druckerzeugnissen ausmerzen“, so der Forscher. Mit dieser Methode wird es beispielsweise auch möglich, die Kontakttemperaturen zwischen zwei Strängen im für die jeweilige Formteilgeometrie optimalen Bereich zu halten. Derartige Optimierungen braucht es zum Beispiel, wenn die Lebensdauer eines Bauteils verlängert werden soll. Mit dem neuen Verfahren aus Kaiserslautern lassen sich Schwachstellen im Kunststoff vermeiden. (ber)
Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz, Halle 2, Stand B46
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