Oberflächentechnologie

Forschungsprojekt

IA-UV-3D – Neuartige Materialien für UV-härtende Verfahren der additiven Fertigung

UV-härtende Materialien für die additive Fertigung von Polymeren basieren derzeit überwiegend auf radikalisch härtenden Polyestern und Polyurethanen. Als UV-härtende Komponente wird in diesen Harzen hauptsächlich Acrylsäure eingesetzt. Bauteile, die aus solchen Harzen gefertigt sind, weisen allerdings einige Nachteile auf, wie z.B. hoher Schrumpf, hohe Sprödigkeit und geringe Wärmeformbeständigkeit. Gemeinsam mit den Unternehmen Marabu GmbH & Co. KG, CIRP GmbH, Schultheiss GmbH, BMW AG und Worlée Chemie GmbH entwickeln wir Materialen für die UV-härtende additive Fertigung mit verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu existierenden Materialien.

© Fraunhofer | Manuela Lingnau

Polyesterharz nach UV-Härtung

Bei der additiven Fertigung von Kunststoffen nehmen UV-härtenden Verfahren eine wichtige Rolle ein. Allerdings weist diese Art der Materialien einige Einschränkungen auf, wie beispielsweise Schrumpf, Verzug und/oder mangelnde Wärmeformbeständigkeit. Daher können Funktionsbauteile ausgehend von kommerziellen Materialien nur eingeschränkt hergestellt werden.

In unserem Forschungsvorhaben entwickeln wir neuartige, radikalisch härtende, biogene Polymere für photopolymerbasierte Harze mit verbesserten Eigenschaften. Diese können dann in den drei UV-härtenden additiven Fertigungsverfahren Stereolithografie (SLA), Digital Light Processing (DLP) und Multijet-Modelling (MJM) eingesetzt werden. Als UV-härtende Komponente wird Itaconsäure eingesetzt, die biotechnologisch aus Nebenprodukten der Zuckerproduktion hergestellt wird. Die Polymerharze auf Basis dieses biogenen Bausteins ersetzen somit die derzeit verwendeten Materialien auf Acrylsäure- oder Methacrylsäure-Basis. Mit ihnen lassen sich UV-härtende Kunststoffe realisieren, die aufgrund der regelmäßigen Verteilung der UV-härtenden Gruppen im Polymerrückgrat verbesserte Eigenschaften gegenüber den herkömmlichen Materialien für die additive Fertigung aufweisen. So können z. B. Bauteile hergestellt werden, die sich durch eine deutlich höhere Wärmeformbeständigkeit (über 130 °C) und geringere Versprödung auszeichnen.

Während des Projekts erstellen wir mit den entwickelten Verfahren und der entsprechenden Anlagentechnologie erste Materialmuster. Anhand dieser Muster evaluieren wir das Potenzial der Materialien für verschiedene Anwendungen, zunächst für die Automobilindustrie. Die im Erfolgsfall vorgesehenen Einsatzbereiche sind hierbei die Serienfertigung einzelner Interieur- und Exterieur-Bauteile, die Herstellung nicht mehr verfügbarer Teile sowie Sonderserien mit hohem Individualisierungsgrad. Durch eine erfolgreiche Umsetzung des Projekts trägt das Fraunhofer WKI dazu bei die Materialvielfalt im Bereich der additiven Fertigung von Kunststoffen zu erhöhen. Darüber hinaus leisten wir mit diesem Projekt einen Beitrag zur Nachhaltigkeit, da für Materialsysteme der additiven Fertigung zukünftig vermehrt nachwachsende Rohstoffe genutzt werden können.

Unser Forschungsvorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und ist in der Broschüre »Deutschland druckt dreidimensional« aufgeführt. 

© Fraunhofer WKI | Ina Schoon

Polyestersynthese

© Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau

Polyesterharz als Ausgangsmaterial für UV-härtende Materialien für die additive Fertigung

© Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau

Polyesterharz im Kolben

Projektpartner

Verbundpartner:

  • Marabu GmbH & Co. KG| Projektkoordinator
  • Projektträger Jülich | Projektträger
  • BMW AG
  • Schultheiss GmbH
  • CIRP GmbH
  • Worlée Chemie GmbH 

Verbundpartner:

  • Marabu GmbH & Co. KG| Projektkoordinator
  • Projektträger Jülich | Projektträger
  • BMW AG
  • Schultheiss GmbH
  • CIRP GmbH

 

Assoziierte Partner:

  • Worlée Chemie GmbH

Verbundpartner:

  • Marabu GmbH & Co. KG| Projektkoordinator
  • Projektträger Jülich | Projektträger
  • BMW AG
  • Schultheiss GmbH
  • CIRP GmbH

 

Assoziierte Partner:

  • Worlée Chemie GmbH

Verbundpartner:

  • Marabu GmbH & Co. KG| Projektkoordinator
  • Projektträger Jülich | Projektträger
  • BMW AG
  • Schultheiss GmbH
  • CIRP GmbH

 

Assoziierte Partner:

  • Worlée Chemie GmbH

Förderung

Fördermittelgeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Projektträger Jülich (PTJ)

Projektträger:
Projektträger Jülich (PTJ)

Laufzeit:
1.2.2017 bis 31.1.2020