Kunststoffe

Polymere Werkstoffe finden als Photopolymere für stereolithografische Prozesse, als Strangmaterial für das 3D-Drucken oder in Pulverform zur Verarbeitung mit Lasersinterprozessen Anwendung. Allen additiven Prozessen ist gemein, dass die Werkstoffauswahl für den Anwender stark eingeschränkt ist, wenn als Vergleich die Werkstoffvielfalt im Spritzguss herangezogen wird. Es handelt sich oft um hoch spezialisierte Werkstoffe, deren spezifische Eigenschaften die Verarbeitung - beispielsweise im Lasersinterprozess - erst ermöglichen. Entwicklungen konzentrieren sich daher einerseits darauf, weitere Werkstoffe für die Verfahren zugänglich zu machen und andererseits die Verfahren weiterzuentwickeln, mit dem Ziel, Standardpolymere verwenden zu können. 

Polymere für das Selektive Lasersintern (SLS)

Das Verfahren des Selektiven Lasersinterns ermöglicht die additive Herstellung von Polymerbauteilen mit spritzgussähnlichen Eigenschaften. Es ist daher ein wichtiges Verfahren für Funktionsbauteile. Die Werkstoffe werden hier als feines Pulver eingesetzt. Das Werkstoffangebot ist - wenngleich das Verfahren bereits etabliert ist - stark eingeschränkt. Es kommen überwiegend Polyamide zum Einsatz. Neben naturfarbenen Standardpulvern, werden modifizierte Typen angeboten, die beispielsweise eine höhere Flammbeständigkeit aufweisen (Einsatz in Elektronikbranche) oder elastische Eigenschaften besitzen, um sich dem Werkstoffverhalten anderer Polymere anzunähern.

Neue Werkstoffe für das SLS-Verfahren

Aktuelle Entwicklungen im Bereich des selektiven Lasersinterns befassen sich mit der Erschließung weiterer Polymerwerkstoffe für dieses Verfahren. Der Markt verlangt nach "authentischen" Werkstoffen. Bislang werden mechanische Eigenschaften von Polyamidpulvern modifiziert, um das Werkstoffempfinden anderer Polymer zu simulieren. Im Fokus der Entwicklungen stehen die sogenannten Commodities, beispielsweise Polyolefine, welche den Eingang in den Massenmarkt versprechen. Gleichzeitig werden leistungsfähige technische Polymere erprobt, die mit marktüblichen Maschinen verarbeitbar sind. Hierbei sind neben pulvertechnologischen Kennwerten insbesondere die Rheologie der Polymere, die Kinetik des Schmelz- und Kristallisationsprozesses und der Energieeintrag zu optimieren.

Bionic Manufacturing

Additive Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile Schicht für Schicht entstehen. Es bestehen daher Analogien zu natürlichen Wachstumsprozessen biologischer Werkstoffe, wie beispielsweise Knochen, Zahnschmelz, Perlmut. Trotz eingeschränktem Werkstoffangebot ermöglicht die Natur vielfältige Werkstoffeigenschaften die technischen Systemen oftmals überlegen sind. Erreicht wird dies durch selektive Modifikationen und hierarchische Strukturierungen der Werkstoffe. Ein aktuelles Forschungsprojekt hat das Ziel diese Prinzipien auf additive Verfahren zu übertragen. Dazu werden Verfahren des selektiven Lasersinterns mit Drucktechniken kombiniert.

Neue Verfahren zur Herstellung feiner Polymerpulver

Heute am Markt verfügbare Polymerpulver werden über aufwändige Fällungsverfahren gefertigt. Wenige Werkstoffe werden mechanisch durch Tiefkältezerkleinerungsprozesse hergestellt. Ein in wirtschaftlicher und technischer Hinsicht aussichtsreiches Verfahren ist das Hochdruckschmelzesprühverfahren, bei dem die Polymere im schmelzeflüssigen Zustand unter Einfluss von überkritischem Kohlendioxid (scCO2) zu feinen sphärischen Pulvern zerstäubt werden. In einem aktuellen Forschungsvorhaben wird das Verfahren entwickelt und Polymerpulver in der Anwendung erprobt.

Spezialwerkstoffe - Kreativ bis ins Kleinste

Thermoplastische Kunststoffe und Naturstoffe, wie Holz und Leder lassen sich in Bezug auf neue Anwendungen, Umweltaspekte, neuartige oder verbesserte Eigenschaften maßschneidern. Durch die Ausrüstung mit additiven, funktionellen Nano- und Mikropartikeln, Mikrokapseln und -hohlkugeln oder Hydrogelen lassen sich vielfältige Funktionen implementieren.

Auf Basis kundenspezifischer Anforderungen, neuester Ergebnisse der Werkstoffforschung oder natürlicher Vorbilder entwickeln die Institute des Kompetenzfelds Strategien für neue Werkstoffe und prüfen ihre industrielle Umsetzbarkeit unter ökologischen und ökonomischen Aspekten.