Konzeptionelle Entwicklung und Bau einer hochproduktiven Fertigungsanlage zur generativen Herstellung großvolumiger Bauteile aus wahlfreien Kunststoffen (HP3D)

Problemlage
Flexible Fertigungssysteme zur Herstellung individualisierter Produkte werden langfristig die modernen Produktionsszenarien bestimmen. Dazu zählen auch Systeme zur additiven Fertigung (3D-Druck) mit ihrem Potenzial, klassische Zerspanungsverfahren zu substituieren. Sie ermöglichen die Herstellung von komplexen Geometrien mit individuellen Eigenschaften in kleinsten Stückzahlen. Dem Vorteil der außerordentlich hohen Flexibilität stehen jedoch noch verschiedene Nachteile gegenüber. Das Herstellen großer Bauteile erfordert kostenintensive Fertigungszeiten. Die dazu notwendigen, maschinenspezifischen Materialien sind in der Regel teuer und die Materialvielfalt an einsetzbaren Werkstoffen ist begrenzt im Vergleich zu den für die Serienfertigung üblichen Verfahren. Für viele Anwendungen stehen additive Fertigungstechnologien daher nur eingeschränkt zur Verfügung. Um sie weiter in Richtung Additive Manufacturing (3D-Druck in Serie) zu qualifizieren
und neuartige Fertigungsmöglichkeiten zu erschließen, bedarf es demnach ihrer konsequenten Weiterentwicklung unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Dazu zählt auch die Nutzung von Potenzialen der Informations- und Automatisierungstechnologien.

Zielstellung
Im Rahmen des Verbundvorhabens HP3D wird eine hochproduktive Anlage zur Herstellung von Teilen aus beliebigen thermoplastischen Kunststoffen entwickelt. Durch die erstmalige Realisierung eines „echten“ dreidimensionalen additiven Verfahrens wird es möglich sein, festigkeitsoptimierte Teile bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Leichtbau-Aspekten herzustellen. Durch den Einsatz von Multimaterialsystemen sowie durch die Integration von zusätzlichen Funktionselementen gelingt es, eine Vielzahl von spezifischen Anforderungen in das Kunststoffteil zu integrieren.

Vorgehensweise
Erreicht werden soll das Projektziel durch die Kombination von Industrierobotern mit modularen Extrusionseinheiten zu einem Anlagensystem, so dass mit Standard-Kunststoff-Granulat in einem strangweisen Schichtaufbau 3D-Bauteile generiert werden können. Entwicklungsschwerpunkte im Vorhaben sind:
I. ein System zur Offline-Programmierung, um die CAD-Daten des Bauteiles in Bewegungsabläufe des Roboters umzusetzen,
II. verschiedene Systemkomponenten (modulare Extruder, Spannsysteme, Temperiereinheiten, Module zur lasergestützten Nachbearbeitung, Messsysteme zur Prozessüberwachung) zu erforschen und zu entwickeln und
III. die Steuerung des Gesamtsystems zur Synchronisation der Handhabungseinheiten sowie der Systemkomponenten zu entwerfen und steuerungstechnisch umzusetzen.
Die Teilergebnisse fließen in einen Anlagendemonstrator. Mit diesem soll die erfolgreiche Umsetzung der Projektziele nachgewiesen werden.

Ergebnisverwertung
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens eröffnen der Konstruktion und Herstellung von komplexen Kunststoff-Großteilen neue Möglichkeiten. Durch geringe spezifische Aufwände (keine aufwendigen Formen oder Werkzeuge erforderlich) werden sich eine Vielzahl neuer oder verbesserter Produkte in den verschiedensten Marktsegmenten einführen lassen. Durch die Entwicklung eines ersten Demonstrators ist die Funktionsfähigkeit dieses innovativen Anlagensystems nachzuweisen und soll
somit den Anforderungen an eine flexible und individualisierte moderne Fertigung in Deutschland gerecht werden.

• 3D-Schilling Prototypen GmbH
• Ernst-Abbe-Hochschule Jena - ServiceZentrum Forschung und Transfer (SZT)
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• GLAMACO Engineering GmbH
• Granula Deutschland GmbH
• Mebitec Meerbuscher Informationstechnik GmbH
• Optris GmbH
• Technische Universität Ilmenau