Innovative Werkstoffherstellung für das Polymer Laser Sintern – Teil 2

Das Polymer Laser Sintern wird zu den additiven Fertigungsverfahren gezählt und erfreut sich aufgrund kurzer Produktzyklen und hoher Freiheitsgrade in der Fertigung immer größerer Beliebtheit. Die breitere Anwendung des Verfahrens wird unter anderem noch durch eine begrenzte Materialauswahl behindert, welche auf hohe Anforderungen und das Fehlen passender Herstellungsprozesse zurückzuführen ist. Im zweiten Teil dieses Artikels werden zwei experimentelle Herstellungsverfahren aus der aktuellen Forschung an der Universität Paderborn vorgestellt, welche das Potenzial bieten, die bisherigen Restriktionen zu beseitigen.

Im ersten Teil des Artikels wurde die kryogene Vermahlung als ein bereits etabliertes Verfahren zur Herstellung von SLS-Materialien vorgestellt, obwohl lediglich scharfkantige Partikeln und somit Pulver mit i.d.R. schlechten Fließeigenschaften erzeugt werden können. Um die Fließeigenschaften in einem nachgelagerten Schritt zu verbessern, werden an der Universität Paderborn die thermische Verrundung und die mechanische Verrundung tiefergehend untersucht. Bei der thermischen Verrundung in der Gasphase werden die Partikeln in einem vertikal beheizten Reaktor teilweise aufgeschmolzen und erhöhen aufgrund der geringeren Oberflächenspannung ihre Sphärizität, welche sie in der Erstarrungsphase beibehalten. Aktuelle Anlagen zur thermischen Verrundung liefern allerdings nicht nur eine geringe Ausbeute, sondern sind auch mit hohem Energieverbrauch verbunden, weshalb intensiver Forschungsbedarf besteht, um das Verfahren für die Massenproduktion weiterzuentwickeln. Weiterlesen

Innovative Werkstoffherstellung für das Polymer Laser Sintern – Teil 1

Unter Berücksichtigung von Lieferkettenstörungen und immer kürzeren Produktzyklen sowie einem fortschreitenden Trend zur Individualisierung, gewinnt die Additive Fertigung immer mehr an Bedeutung. Der Polymer-3D-Druck mittels Pulverbettverfahren (SLS) hat sich dabei kontinuierlich vom Prototypenbau hin zu einer Standardfertigungsmethode für Kleinserien, Ersatzteile und Individualbauten in vielen Branchen entwickelt. In diesem zweiteiligen Artikel soll zunächst auf die Anforderungen an SLS-Materialien eingegangen und konventionelle Herstellungsverfahren beschrieben werden. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den Chancen und Möglichkeiten experimenteller Herstellungsmethoden welche momentan an der Universität Paderborn erforscht werden.

Vorreiter in der Industrialisierung der Additiven Fertigung ist das Polymer Laser Sinter (LS) Verfahren, auch Selektives Laser Sintern (SLS) genannt, bei dem eine dünne, teilkristalline Polymerpulverschicht auf einer Bauplattform aufgetragen, anschließend bis kurz unter die Schmelztemperatur vorgeheizt und selektiv mit einem Laser entsprechend der Bauteilschichtinformation verschmolzen wird (Abbildung 1). Nach dem Absenken der Bauplattform um eine Schicht wiederholt sich der Vorgang so lange, bis der Baujob abgeschlossen ist und die fertigen Bauteile im sogenannten Pulverkuchen abkühlen können. Typischerweise folgen noch weitere Nachbearbeitungsschritte wie grob und fein Entpulvern, glätten oder färben.

Abbildung 1: Lasersinterprozess von der CAD Datei bis zum fertigen Bauteil im Pulverkuchen

Abbildung 1: Lasersinterprozess von der CAD Datei bis zum fertigen Bauteil im Pulverkuchen

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Fertigung von Hybridbauteilen aus Holzfurnieren und Kunststoffen mittels Spritzgießen

Foto (IWF): Bewegliche Werkzeughälfte des Spritzgießwerkzeuges

Foto (IWF): Bewegliche Werkzeughälfte des Spritzgießwerkzeuges

Die Kombination von Kunststoffen mit artfremden Materialien erfolgt im Wesentlichen über das An-, Hinter- und Umspritzen von metallischen Komponenten, die meist als Einleger für Arretierungspunkte in eine übergeordnete Struktur dienen.

Erste Ansätze für die gemeinsame Verarbeitung von Metallen und Kunststoffen als lasttragende Strukturbauteile zielen auf die vorteilhafte Kombination beider Materialien unter Ausnutzung der spezifischen Eigenschaften ab. Die metallische Komponente im hybriden Verbund sorgt für eine ausreichende Festigkeit und die geometrisch flexibel realisierbare Kunststoffapplikation bringt z.B. in Form von Rippen die nötige Steifigkeit auf.

Flächige Hybridbauteile benötigen aber häufig eine Faserverstärkung in der Kunststoffkomponente, um die Verbundsteifigkeit zu erhöhen. Meist kommen dazu in Abhängigkeit der Bauteilanforderungen flächige, vorimprägnierte, textile Halbzeuge wie Organobleche und Tapegelege oder kurzfaserverstärkte Kunststoffgranulate zum Einsatz. Aufgrund der im Vergleich zu Metallen hohen gerichteten mechanischen Eigenschaften können diese bei geeigneter Auslegung eine Wandstärkenreduzierung der Metallkomponente herbeiführen, wodurch das Bauteilgewicht reduziert und der Integrationsgrad der abzubildenden Bauteilfunktionen erhöht werden kann. Weiterlesen

Mit High-Performance Computing und Machine Learning zur neuen Generation von kohlenstofffreien Brennkammersystemen

Über 80 Prozent der weltweit verbrauchten Energie wird durch Verbrennungsprozesse erzeugt. An diesem Wert wird sich, nach heutigem Kenntnisstand, mittelfristig wenig ändern. Verbrennungsvorgänge, die beispielsweise in industriellen Hochöfen, Haushaltsbrennern, Trägerraketen, Gasturbinen und Triebwerken stattfinden, haben einen negativen Einfluss auf das Klima, und es besteht Handlungsbedarf. Ziel ist es, den Brennstoffverbrauch maximal zu senken, damit Verbrennungsprozesse effizienter, sauberer und leiser werden. Dabei treten instationäre Phänomene auf, die sich aus dem unerwünschten Zusammenspiel zwischen der Akustik, der Verbrennung und der Strömung ergeben. Nicht selten führen diese Ereignisse zu kostspieligen Totalschäden an den Prototypen in der Designphase. Forschung und Industrie bemühen sich, diese Vorgänge fundamental zu verstehen, um daraus die Technologie für morgen abzuleiten.

Das interdisziplinäre Projekt „Taming Combustion Instabilities by Design Principles (TACOS)“, für das Prof. Dr. Abdulla Ghani mit dem ERC-Starting-Grant des Europäischen Forschungsrates (European Research Council, ERC) ausgezeichnet wurde, forscht daran, diese instationären Phänomene auszuschließen. Weiterlesen

Eisen als Energiespeicher

Verbrennung von Eisenpulver in einem Brenner im Industriemaßstab. Das Pulver wird als nachhaltiger Energieträger verwendet.© Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Verbrennung von Eisenpulver in einem Brenner im Industriemaßstab. Das Pulver wird als nachhaltiger Energieträger verwendet. © Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Das Metall könnte künftig Energie aus regenerativen Quellen speichern, etwa für den Transport

Energie aus Sonne oder Wind ist wetterabhängig und es gibt bislang keine effiziente Methode sie zu speichern oder zu transportieren. Forschende des Max-Planck-Institut für Eisenforschung und der TU Eindhoven untersuchen Eisen als möglichen Energieträger. Die Idee ist, Energie in Eisen zu speichern und durch Verbrennung zu Eisenoxid wieder freizusetzen. Das Team arbeitet daran, die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen und die Technik industriell einsetzbar zu machen. Weiterlesen

Herstellung nachhaltiger Recycling-Kunststoffe mithilfe von Mikroorganismen

Fast 380 Millionen Tonnen Kunststoffe werden derzeit pro Jahr produziert – mit stark steigender Tendenz und den bekannten negativen Folgen für unseren Planeten. Das EU-Projekt „REPurpose“ will daher neue Wege für die effiziente Nutzung von Ressourcen bei der Kunststoff-Herstellung erforschen. Daran beteiligt ist auch das Institut für Systembiotechnologie (iSBio) unter der Leitung von Prof. Christoph Wittmann von der Universität des Saarlandes. Ziel der Saarbrücker Forscherinnen und Forscher ist es, mithilfe von Mikroorganismen Bausteine für nachhaltige Kunststoffe aus Abfällen herzustellen.   Weiterlesen

Selbstvalidierung von komplexen elektronischen Systemen durch Grey-Box-Modelle

© Fraunhofer IZM Hybride Modelle kombinieren die Vorteile von physikalischen und datenbasierten Modellen.

© Fraunhofer IZM
Hybride Modelle kombinieren die Vorteile von physikalischen und datenbasierten Modellen.

Mischt man schwarz und weiß, entsteht grau – und damit eine neuartige Methode, die es ermöglichen soll, dass sich komplexe elektronische Systeme selbst überwachen. Mit sogenannten Grey-Box-Modellen, an denen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM arbeiten, können in Zukunft etwaige Verschleißerscheinungen oder Manipulationen in elektronischen Systemen frühzeitig erkannt werden, bevor es zu einem Ausfall kommt. Erstmals ausgearbeitet und getestet wird das neue Verfahren derzeit am Beispiel von sicherheitskritischen Anwendungen im Automobil- und Bahnbereich. Das Grundprinzip lässt sich aber auch auf viele weitere Einsatzgebiete übertragen. Weiterlesen

Entdeckung neuer Werkstoffe mit Hilfe von maschinellem Lernen

Überblick über das Framework für aktives Lernen zur Entwicklung von Hochentropie-Legierungen. Das Framework kombiniert Modelle für maschinelles Lernen, auf der Dichtefunktionaltheorie basierende Berechnungen, thermodynamische Simulationen und experimentelles Feedback.

Überblick über das Framework für aktives Lernen zur Entwicklung von Hochentropie-Legierungen. Das Framework kombiniert Modelle für maschinelles Lernen, auf der Dichtefunktionaltheorie basierende Berechnungen, thermodynamische Simulationen und experimentelles Feedback. (Bild: Science)

Neuartige Werkstoffe sind der Schlüssel für die Transformation zu einer nachhaltigeren Wirtschaft. Die Suche nach neuen Werkstoffen, die die Anforderungen einer spezifischen Technologie erfüllen, sowie deren Design sind allerdings zeit- und kostenintensiv. Insbesondere bei Hochentropie-Legierungen, die aus festen Lösungen mehrerer Hauptelemente bestehen, wird die Anzahl möglicher Kombinationen so groß, dass nicht mehr mit Methoden von Versuch und Irrtum gearbeitet werden kann. Ein internationales Forschungsteam hat nun ein Framework für aktives maschinelles Lernen in einem geschlossenen Regelkreis entwickelt, dass die experimentelle Effizienz bei der Identifizierung neuer Legierungen mit gewünschten Eigenschaften um Größenordnungen verbessert und so Zeit und Geld spart. Weiterlesen

Additive Fertigung im Flug

 Drohnen als 3D-Drucker: Mit einem Schwarm solcher selbständig fliegender Roboter hat eine internationalen Forschungsgruppe Strukturen aus Zement gedruckt. Ein Team um Stefan Leutenegger, Professor für Machine Learning in Robotics an der TUM, hat dafür gesorgt, dass die Drohnen die notwendigen präzisen Flugmanöver ausführen konnten.

Drohnen als 3D-Drucker: Mit einem Schwarm solcher selbständig fliegender Roboter hat eine internationalen Forschungsgruppe Strukturen aus Zement gedruckt. Ein Team um Stefan Leutenegger, Professor für Machine Learning in Robotics an der TUM, hat dafür gesorgt, dass die Drohnen die notwendigen präzisen Flugmanöver ausführen konnten. (Bildquelle: Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith / University College London, Department of Computer Science, London.)

Ein internationales Forschungsteam hat fliegende 3D-Drucker entwickelt, die kooperativ Strukturen bauen und reparieren können. Die Inspiration für das Projekt liefern Bienen und Wespen. Die Technologie könnte in Zukunft für Konstruktionsmaßnahmen an schwer zugänglichen oder gefährlichen Orten, etwa an hohen Gebäuden, zum Einsatz kommen, so die Forschenden.

3D-Druck gewinnt in der Bauindustrie zunehmend an Bedeutung. Sowohl auf Baustellen als auch in Fabriken drucken stationäre und mobile Roboter Strukturen für den Einsatz in Bauprojekten, beispielsweise aus Stahl oder Beton. Im Fachmagazin „Nature“ beschreibt ein internationales Forschungsteam das Projekt „Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM)“. Dieser neue Ansatz für den 3D-Druck mit fliegenden Robotern, die kooperativ arbeiten, ist von Baumeistern aus der Natur wie Bienen und Wespen inspiriert. Weiterlesen

Grüne Klebstoffe aus Molke

© Fraunhofer IKTS Nach der Fermentation der Melasse im Bioreaktor wird das entstandene Gas-Dampf-Gemisch durch ein Membranmodul geleitet und das wertvolle Ethylacetat abgetrennt.

© Fraunhofer IKTS
Nach der Fermentation der Melasse im Bioreaktor wird das entstandene Gas-Dampf-Gemisch durch ein Membranmodul geleitet und das wertvolle Ethylacetat abgetrennt.

Fraunhofer-Forschende haben gemeinsam mit der TU Dresden ein Verfahren entwickelt, bei dem aus Molke wertvolles Ethylacetat in hoher Reinheit gewonnen wird. Dieses kann beispielsweise für die Herstellung umweltfreundlicher Klebstoffe verwendet werden und ersetzt damit das herkömmliche Ethylacetat aus fossilen Rohstoffen. Auch die aufwendige Entsorgung der bei der Molke-Verarbeitung entstehenden Melasse wird damit überflüssig.

In der Milchindustrie fallen täglich große Mengen Molke als Nebenprodukt an. Allein in Deutschland sind das Jahr für Jahr 12,6 Millionen Tonnen. So entstehen bei der Herstellung eines Kilogramms Käse beispielsweise neun Kilogramm Molke. Sie wird teilweise weiterverarbeitet, etwa zu Trinkmolke mit Fruchtzusatz oder anderen Mischgetränken. Trennt man die in der Molke enthaltene Laktose sowie die Proteine ab, lassen sich diese ebenfalls nutzen, etwa als Rohstoff in der Pharmazie oder auch in Babynahrung. Doch nach Abtrennung von Proteinen und Laktose bleibt eine Melasse zurück. Deren Entsorgung ist aufgrund des relativ hohen Salzgehalts äußerst aufwendig und teuer. Weiterlesen