Additive Fertigungsverfahren

Ziel des Projektes LaOnDe – Ladungsträger On Demand – ist die Entwicklung additiv gefertigter, individualisierter Ladungsträger im Bereich B2B sowie B2C.
Hierbei sollen bedarfsabhängig kunden- bzw. produktindividuelle Ladungsträger und -komponenten innerhalb kurzer Zeit im 3D-Druckverfahren aus recyclebaren Kunststoffen hergestellt werden.

Die gedruckten Ladungsträger sollen insbesondere für hochwertige Industriegüter, bspw. Maschinen- und Anlagenteile, und sperrige, nicht mit Standardladungsträgern transportierbare Waren geeignet sein. Für diese werden bisher entweder sehr teure Einzelanfertigungen hergestellt, bei denen hohe Material und/oder Werkzeugkosten entstehen und deren Entwicklungszeit zum Teil mehrere Wochen in Anspruch nimmt. Oder es werden von Hand meist aus Holz Sonderlösungen angefertigt, die ebenso teuer und nicht immer transport- und belastungsgerecht ausgelegt sind.

Die gedruckten Ladungsträger erfüllen höchste Ansprüche in Bezug auf eine anforderungsgerechte Ladeeinheiten- und Ladungssicherung, einen effizienten und optimierten Rohstoffeinsatz bei der Fertigung und die Anpassung an die Ladungsgeometrie und -eigenschaften, wie Oberflächenbeschaffenheit, Härte oder Stabilität des Produkts.

Die effizientere, anforderungsgerechte Beladung führt zu einem wirtschaftlicheren Warentransport und zu einer Reduktion des CO2- Ausstoßes. Durch den Einsatz des 3-D-Druckverfahrens wird die Verwendung teurer Spezialanfertigungen aus Metall oder mit hohem manuellen Aufwand angefertigter Lösungen aus Holz deutlich reduziert oder sogar substituiert, was direkt zu einer Minimierung der Kosten für den Mitarbeitereinsatz und die Lagerhaltung für die Unternehmensbereiche der Verpackung und der Versandvorbereitung führt. Ebenso werden die Kosten für die Entwicklung und die Herstellung der individuellen Ladungsträger drastisch reduziert. Die ausgedienten Ladungsträger werden im Sinne einer Wiederverwertung in den Rohstoffkreislauf zurückgeführt. 

Die technologische Vielfalt an Angeboten von On-Demand-Ladungsträgern für individuelle Verpackungslösungen ist beschränkt, sodass die Logistikbranche in NRW mit LaOnDe die Möglichkeit erhält, sich mit diesem neuen Konzept frühzeitig zu positionieren. Momentan ist weder national noch international ein vergleichbares und marktfähiges Produkt erhältlich. So wird im Rahmen dieses skizzierten Vorhabens die Markteinführung ins Visier genommen und das Land NRW profiliert sich als Standort für innovative Ansätze in der Logistik und der Hochtechnologie.

Das Fachgebiet Maschinenelemente unterstützt das Kooperationsvorhaben durch seine Expertise im Bereich der Konstruktion während der Definition der Arbeitsgrundlagen, bei der Erstellung von Ladungsträgerkonzepten und Konstruktionsrichtlinien und im Speziellen bei der Entwicklung der Granulatzuführung und –extrusion.  Des Weiteren übernimmt es die Evaluierung von möglichen Granulaten. Im Anschluss übernimmt das FGME die Modellierung von Ladungsträger- Demonstratoren. Dies erfolgt im ersten Schritt auf Basis eines 3D-CAD-Modells. Es folgt die Ladungsträgererstellung mittels 3D-Flächenrückführung eines Ladungselements. Abschließend werden durch das FGME Topologieoptimierungen der modellierten Ladungsträger durchgeführt. Bei der Erprobung des Drucksystems und der Validierung der Ladungsträgerkonzepte unterstützt das FGME das Kooperationsvorhaben durch statistische Auswertmethoden. Arbeitspaketübergreifend unterstützt das FGME die Projektkoordination.

Die nach dem Stand der Technik verfügbaren Drucksysteme sind nicht in der Lage, große Objekte wirtschaftlich zu erzeugen, da zwei erhebliche und bisher ungelöste Problemstellungen vorliegen. Zunächst ist die Durchsatzleistung der derzeit eingesetzten Filamentextruder deutlich zu gering, um große Bauteile in akzeptabler Produktionszeit zu erzeugen. Eine weitere Schwachstelle, die ebenfalls die Extrudertechnik betrifft, sind die nach dem Stand der Technik einsetzbaren Kunststoffe. Keines der etablierten Drucksysteme ist in Lage, wirtschaftliche Kunststoffe wie Polypropylen (kurz: PP) und Polyethylen (kurz: PE) einzusetzen. Da bei entsprechend großvolumigen Bauteilen jedoch große Materialmengen verbraucht werden, ist die Fähigkeit der Extruder, günstige Kunststoffe zu verarbeiten, zwingend erforderlich, um gegenüber alternativen Verfahren einen wirtschaftlichen Vorteil zu bieten. Ein Forschungsziel des Fachgebiets Maschinenelemente ist in diesem Zusammenhang die Lösung der aufgeführten Problemstellung durch die Entwicklung eines entsprechenden 3D-Druckystems für die Herstellung großvolumiger Bauteile (bis ca. 2 m³).

Der 3D-Druck von Kunststoffen zeichnet sich durch eine besonders hohe Flexibilität und Vielseitigkeit aus. Dennoch ist das Einsatzgebiet beschränkt. Diese Grenze weiter zu verschieben ist das Ziel des Projekts MiPE-3D. Um die Wirtschaftlichkeit der Endprodukte zu gewährleisten konzentriert sich die Forschung auf das FDM-Verfahren, welches im Vergleich zum SLS oder SLA lediglich mäßige Bauteilqualitäten liefert jedoch deutlich günstiger ist. Aktuell werden in diesem Bereich fast ausschließlich amorphe Thermoplaste eingesetzt. Dabei bieten teilkristalline Kunststoffe teils große Vorteile. Sie zeigen bessere Ermüdungseigenschaften, haben eine gute chemische Beständigkeit und eine hohe Schlagzähigkeit. Zwar gibt es am Markt auch amorphe Kunststoffe, die viele dieser Eigenschaften aufweisen, sich jedoch auf Grund des hohen Preises nur für den Prototypenbau eignen. Polypropylen und Polyethylen mit 20% und 30% Anteil der weltweit verarbeiteten Kunststoffe sind hingegen sehr preiswert. Die große Herausforderung bei der Verarbeitung von teilkristallinen Kunststoffen ist die vergleichsweise hohe Schrumpfung des Materials bei der Abkühlung und damit verbundene Eigenspannungen sowie Verzug. Diese führen einerseits zu instabilen Herstellungsprozessen aufgrund extremen Warpings als auch zu Bauteilabweichungen und verringerter Bauteilbelastbarkeit.

An dieser Stelle setzt das Fachgebiet Maschinenelemente in Kooperation mit 3win Maschinenbau GmbH an. Während die kunststoffherstellende Industrie mittels Werkstoffmodifikationen Polypropylene entwickelt, die an den FLM-Prozess angepasst sind und keine typischen teilkristallinen Eigenschaften aufweist, wird in MiPE-3D eine werkstoffgerechte Prozessmodifikation angestrebt. Es wird untersucht, ob die Bildung von Verzug und Eigenspannungen mittels modifizierter Prozessführung verringert werden kann. Durch Vorwärmung der vorherigen Schicht und anschließende abrupte Abkühlung des Extrudats soll einerseits die Extrudattemperatur herabgesetzt und andererseits die Wärmeeinflusszone minimiert werden.

Anwendung könnte diese Technik in der Orthopädietechnik finden, weshalb rahm Zentrum für Gesundheit GmbH als weiterer Partner an dem Projekt teilnimmt. Wird die Verarbeitung von Polypropylen mittels des FLM-Verfahrens möglich, könnten beispielsweise Korsagen auf Basis von CAD-Scans innerhalb weniger Verarbeitungsschritte gefertigt werden.

Das Projekt „FilChange - Flexible 3D-Printing“ beinhaltet die ausgereifte Entwicklung eines neuartigen 3D-Druckers nach dem FLM-Verfahren zur unterbrechungsfreien Herstellung von Produkten, die aus beliebig vielen unterschiedlichen Kunststoffmaterialien und -farben bestehen. Mithilfe dieser Technologie wird eine enorm zeitsparende und kostengünstige Fertigung komplexer Bauteile durch ein einziges automatisiertes Herstellungsverfahren ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen 3D-Drucksystemen setzt der neuartige 3D-Drucker eine unterbrechungsfreie und abfallfreie Verarbeitung von unterschiedlichsten Kunststoffen um. Die Basis der Technologie bilden die Prototypen eines durch die TU Dortmund zum europäischen Patent angemeldeten Wechselsystems sowie eines neu entwickelten Extruders. Darüber hinaus wurden verschiedene Möglichkeiten entwickelt, um die unterschiedlichen Materialien in einem Bauteil miteinander zu verbinden. Im Rahmen einer Förderung durch das Programm „START-UP-Hochschul-Ausgründungen“ der Europäischen Union sowie des Landes Nordrhein-Westfalen wird im 18-monatigen Förderzeitraum das 3D-Drucksystem hergestellt und in Betrieb genommen, um Testbauteile in Zusammenarbeit mit Entwicklungspartnern produzieren zu können.

Das Ziel des Vorhabens „MedTech-Multiprint“ besteht in der Entwicklung eines neuartigen 3D-Druckers zur Herstellung komplexer Hybridprodukte sowohl aus unterschiedlichen Standard- und technischen Thermoplasten, als auch aus Hochleistungskunststoffen und Silikonen in einem einzigen unterbrechungsfreien Produktionsprozess. Mithilfe des 3D-Drucksystems wird eine hochautomatisierte, ressourcenschonende und somit zeitsparende und kostengünstige Fertigung ermöglicht. Die Technologie findet Anwendung bspw. in der Sanitäts- und Orthopädiebranche mit der Herstellung von Komponenten für individuelle Hilfsmittel. Das neuartige 3D-Drucksystem soll auf der Basis eines bestehenden Labormusters entwickelt werden, welches im Zuge des Projekts „FilChange – Flexible-3D-Printing“ des EFRE-Förderprogramms „STARTUP-Hochschul-Ausgründungen NRW“ gebaut und in Betrieb genommen wurde. Dem Labormuster liegt ein neu entwickeltes Filament-Verarbeitungsmodul zugrunde, welches durch die TU Dortmund zum europäischen Patent angemeldet wurde. Unter Einbeziehung der Forschungstätigkeiten soll der Prototyp des gesamten 3D-Druckers konstruiert, gebaut und in Betrieb genommen werden, sodass Hybridprodukte hergestellt und diese anwendungsnah getestet werden können.

Plakat

Das Forschungsprojekt DiPaFu3D hat zum Ziel, eine neuartige, patientenindividuelle 3D-gedruckte Fußbettung mit integriertem Teilfußersatz und einstellbaren Härtegradbereichen innerhalb des Hilfsmittels aus Silikon zu entwickeln und damit die Versorgung von Diabetes-mellitus-Patientinnen und -Patienten nachhaltig zu verbessern.

Bei einem Teil der Diabetes-mellitus-Patientinnen und -Patienten geht mit der Krankheit oft auch ein diabetisches Fußsyndrom einher, was Wunden und Wundbrand an den Füßen zur Folge hat. Durch die hierbei auftretende Nervenschädigung werden die Wunden oft erst spät entdeckt. Als Konsequenz ist nicht selten eine Amputation von totem Gewebe notwendig.

Zur Behandlung des diabetischen Fußsyndroms werden derzeit Fußbettungen aus Kunststoffschäumen eingesetzt, mit deren Hilfe die Schmerzen reduziert und ein Fortschreiten der Wundbildung verlangsamt werden sollen. Bei dieser Art der Behandlung lassen sich jedoch folgende Aspekte als nachteilig identifizieren:

• limitierter Individualisierungsgrad und somit keine optimale medizinische Behandlung der Patientinnen/Patienten
• Teilfußersatz bei durchgeführten Amputationen kann durch die eingeschränkten Fertigungsmöglichkeiten nicht direkt in die Fußbettung integriert werden
• viele manuelle Fertigungsschritte sind notwendig, folglich ist auch keine reproduzierbare Qualität der Produkte möglich

Die additive Herstellung einer neuartigen Fußbettung mittels 3D-Druck-Technologie nach dem kostengünstigen FLM-Verfahren aus einem industrietauglichen und zertifizierten Silikon kann die genannten Nachteile beheben. Durch ihre Eigenschaften und Merkmale ist die additive Fertigung besonders geeignet für die Fertigung von Bauteilen in kleiner Stückzahl mit einem hohen Individualisierungsgrad sowie hoher geometrischer Komplexität. So kann eine Lösung für die genannten Schwachstellen der konventionellen Fertigung erreicht werden. Ein weiterer, nicht zu vernachlässigender Vorteil im Vergleich zum konventionellen subtraktiven Fertigungsverfahren ist die effizientere Nutzung von Rohstoffen.

Im Rahmen des genannten Forschungsprojekts in Zusammenarbeit mit dem Sanitätshaus Tingelhoff aus Dortmund wird am Fachgebiet Maschinenelemente ein neuer Versuchsstand zur Verarbeitung von 2K-Flüssigsilikonen entwickelt und gebaut. Mit diesem sollen die neu entwickelten, innovativen Fußbettungen hergestellt werden. Zeitgleich soll zusätzlich ein Leitfaden erstellt werden, um eine Implementierung der Herstellung der Fußbettung in eine digitale Prozesskette zu ermöglichen.

Projektpartner:

Fördermittelgeber: