Forscher des Fraunhofer Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben einen Weg gefunden, die Stabilität von mit FDM-3D-Druck hergestellter Bauteilen zu verbessern. Um die Haftung zwischen den Lagen zu optimieren, werden die inneren Oberflächen bereits während des 3D-Drucks mit einer Atmosphärendruckplasmabehandlung nachbearbeitet. Wir stellen die Arbeit der Forscher vor.

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Forscher des Fraunhofer Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben laut einer Pressemitteilung einen Weg gefunden, mit Atmosphärendruckplasmen für stabilere 3D-Druck-Bauteile zu sorgen. Stabilität ist eine Kernanforderung und eine potenzielle Schwachstelle bei Bauteilen, die mit Verfahren wie dem Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt werden. Um mehr Stabilität zu erreichen, muss die Haftung zwischen den Lagen verbessert werden. Die Forscher des Fraunhofer IST erreichen das durch eine gezielte chemische Oberflächenmodifikation mit Atmosphärendruckplasmen.

Lagen direkt im Prozess bearbeiten

Plasmabehandlung eines 3D-gedruckten Bauteils
Auf der K2022 stellt das Fraunhofer IST seinen Prototyp vor (im Bild: Plasmabehandlung eines 3D-gedruckten Bauteils)(Bild © Paul Kurze, Fraunhofer IST).

Die Forscher haben dazu Plasmaquellen entwickelt, die in den 3D-Drucker integriert werden können. Lagen sind oftmals später nicht mehr zugänglich, weshalb die Behandlung der Lagen gleich erfolgen sollte. Wird die äußere Oberfläche von 3D-gedruckten Bauteilen modifiziert, vereinfacht dies die Bearbeitungsschritte wie z. B. das Metallisieren der Kunststoffoberflächen oder das Aufbringen von Lacken und Klebstoffen. Bei inneren Oberflächen sind solche Nachbehandlungen jedoch nicht mehr möglich. Die lagenweise Plasmabehandlung während des 3D-Drucks soll das ändern. Dabei werden Haftkräfte zwischen den einzelnen Lagen des Bauteils gesteigert und die Oberflächenmodifikation der Oberfläche in vorher nicht vorbehandelbaren Kavitäten ermöglicht. Es entstehen stabilere, qualitativ hochwertigere und langlebigere Bauteile.

Plasmaquellen kamen bisher nur seriell, also getrennt vom Druckprozess zum Einsatz. Die Forscher mussten die Quelle und Steuereinheit an verschiedene Anforderungen anpassen, um die Integration der Quelle in den 3D-Drucker zu ermöglichen. Die leichte und kleine Plasmaquelle muss Vorgaben z. B. im Hinblick auf Wärmeentwicklung oder Sicherheit genügen. Die Steuerung muss einen optimalen und sicheren Betrieb sowohl von der Quelle als auch dem 3D-Drucker gewährleisten.

Prototyp des Fraunhofer IST

Im Prototypen des Fraunhofer IST ist eine miniaturisierte Punktquelle enthalten, mit der die gedruckten Oberflächen und Filamente hochaufgelöst modifiziert werden können. Langfristig soll eine Ringquelle um die Düse des 3D-Druckers montiert werden und die direkte Behandlung während des Druckprozesses ohne zeitlichen Mehraufwand erlauben. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der Kleinserienfertigungen mit einer integrierten Oberflächenmodifikation als Voraussetzung für eine weitere Verarbeitung wie das Metallisieren, Verkleben oder Lackieren über die Herstellung von belastbareren Teilen aus kostengünstigen FDM 3D-Druckern bis hin zum Einsatz der Plasmaquellen im experimentellen Umfeld.

Auf der kommenden K2022-Messe, die vom 19. bis 26. Oktober 2022 stattfindet, wird das Fraunhofer IST in Halle 7, Stand SC01 den Prototyp der Plasmapunktquelle vorstellen. Dieser wird auf einem handelsüblichen 3D-Drucker montiert sein. Über weitere Entwicklungen aus diesem Bereich berichten wir auch zukünftig im 3D-grenzenlos Magazin (Newsletter abonnieren).

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