Auch der FDM-3D-Druck, also das Drucken mit Filament, gewinnt in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung. Additive wie Farb- und Duftstoffe, Füll- und Schmierstoffe oder Biozide verleihen den 3D-gedruckten Objekten unterschiedliche Eigenschaften. Um eine Lösung für die optimale Einarbeitung dieser Additive zu entwickeln, haben das Fraunhofer IAP und das SKZ ein Projekt gestartet.

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Der 3D-Druck gewinnt an Bedeutung. Um 3D-gedruckte Teile mit Farb- und Duftstoffen, Füll- und Schmierstoffen oder Bioziden zu versehen, werden Zusätze in den Kunststoff eingearbeitet. Bei filamentbasiertem 3D-Druck ist das jedoch schwieriger. Mit der Mikroverkapselung könnten das Kunststoff-Zentrum SKZ und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP eine breite Palette von Additiven für Filamente verfügbar machen, wie das 3D-grenzenlos Magazin in einer Pressemitteilung erfahren hat. Dazu arbeiten sie in einem zwei Jahre andauernden Projekt zusammen, das im Juni 2021 gestartet ist.

Filamentbasierter 3D-Druck mit Additiven

Maßgeschneiderte Materialien sind ein wichtiger Faktor, damit der 3D-Druck gelingt. Beim filamentbasierten 3D-Druck ist die Materialauswahl noch begrenzt. Um das zu ändern, setzen die Forscher auf Additive.

Dr. Alexandra Latnikova, Spezialistin für Mikroverkapselung am Fraunhofer IAP, sagte:

„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. Nicht jedes beliebige Additiv ist jedoch dafür geeignet, da filamentbasierte 3D-Drucktechniken ihre Grenzen haben.“

Beim filamentbasierten 3D-Druck wird ein Kunststoffstrang in einem Hotend aufgeschmolzen, durch eine Düse gedrückt und in dünnen Schichten auf eine Bauplattform abgelegt. Der Kunststoff erweicht und gelangt so durch die Düse.

Latnikova sagte:

„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.“

Additivierte Filamente für den FLM-Druck
Additivierte Filamente für den FLM-3D-Druck (Bild © SKZ).

Mikroverkapselung

Patrick Limbach, Materialentwickler am SKZ, erklärt:

„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.“

Die Forscher am Fraunhofer IAP bringen hier ihr Know-how die Mikroverkapslung betreffend ein und versehen Funktionsadditive mit einer dünnen Polymerwand. Dadurch sind sie in der Lage, Schmier-, Duft- und Farbstoffe oder auch Biozide in Kunststoffe einzubringen. Größe, thermische Stabilität und Oberflächeneigenschaften dieser Partikel sind maßgeschneidert.

Limbach sagte:

„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.“

Latnikova und Limbach erklären:

„Unser Ziel ist es, mit einer breiten Palette an hoch funktionalen Filamentmaterialien die Kundenakzeptanz für 3D-Druckverfahren und die Marktdiversifizierung zu steigern. Für KMU sollen diese anwendungsspezifischen Spezialmaterialien den Einstieg in die additive Fertigung erleichtern. Interessierte Unternehmen können unserem projektbegleitenden Ausschuss beitreten.“

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