Abbildung 1: Entwurf flächige Steckverbinder mit zwei Einrastpositionen (reversibel / permanent).

3DsusCOMP

Abbildung 2: Mit dem Arburg freeformer gedrucktes Zahnrad.
Abbildung 3: Vom FMF additiv gefertigter Steckverbinder.

Projekttitel: 3D-Druck von sortenreinen und steuerbar multidirektionalen Verbundwerkstoffen für die Kreislaufwirtschaft

Sortenreine und selbstverstärkende Kohlenwasserstoff-Komposite (All-hydrocarbon Composites, "all-HC") sind für den nachhaltigen Leichtbau und die Kreislaufwirtschaft besonders attraktiv. Da sowohl Matrix als auch die verstärkende Phase aus hochorientierten Polymerfasern aus dem gleichen hochmolekularen Kohlenwasserstoff (Polyethylen) bestehen, können diese Werkstoffe weitgehend rückstandsfrei werkstofflich, rohstofflich und energetisch wiederverwertet werden. Die herausragenden mechanischen Eigenschaften der All-HC Komposite werden durch die Mikrostruktur der Bauteile verursacht, die sich unter geeigneten Verarbeitungsbedingungen, beispielsweise während des Spritzgusses, einstellt.

Erst in jüngster Zeit ist die Verarbeitung der sortenreinen Kohlenwasserstoff-Komposite in einem additiven Fertigungsverfahren, der "fused filament fabrication", ermöglicht worden. Dies stellt für die Anwendung der All-HC Komposite einen Durchbruch dar, da die Orientierung der verstärkenden Struktur durch die Wahl der 3D-Druck-Pfade beim Ablegen der Kompositstränge gezielt gesteuert werden kann. 

Im Projekt 3DsusCOMP wurden aufbauend auf den Arbeiten des LZN-Pilotprojekts susCOMP erweiterte Einsatzmöglichkeiten der "all-HC" untersucht, die sich durch die additive Fertigung (konkret: das Fused Filament Fabrication Verfahren (FFF) und das Arburg freeformer Verfahren) ergeben. 

Der 3DsusCOMP-Verbund fertigte drei Demonstratoren an, um All-HC Werkstoff-Innovationen deutlich zu machen:

  1. All-HC Zahnräder für Kunststoffgetriebe mit wasserbasierter Schmierung
  2. Individualisierte All-HC Leichtbauelemente mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften für Orthesen und Protektoren in Sport und Medizin und Greifer in der Automatisierungstechnik
  3. All-HC Steckverbindungen ("All-HC Interlocking")

Potenzielle Einsatzgebiete von All-HC Komponenten sind beispielsweise Stellantriebe. Beim Recyceln müssen Komponenten ggf. wieder voneinander getrennt werden, hier können sich Steckverbindungen als nützlich erweisen.   

Insgesamt konnte in 3DsusCOMP das Potenzial der "all-HC" für industrielle Anwendungen verdeutlicht werden. "all-HC" weisen beispielsweise bei der Entwicklung nachhaltiger Antriebssysteme hinsichtlich der Recycelfähigkeit und des Leichtbaus Möglichkeiten auf, die von der Industrie erkannt werden - was sich in der fortwährenden Kooperation mit den Industriepartnern auch nach Projektende widerspiegelt.

Das Potenzial der "all-HC" für den nachhaltigen Leichtbau konnte am (spritzgegossenen) Demonstrator "Zahnrad" nachgewiesen werden, die Funktionalität der Steckverbindung konnte an einem Modell untersucht werden, die mechanischen Eigenschaften der additiv im FFF Verfahren gefertigten Probenkörper weisen die erwünschten mechanischen Eigenschaften auf, und mit dem Arburg freeformer lassen sich filigrane Bauteile drucken - wenn auch für dieses Verfahren die Parameter nochmals angepasst werden müssen, um die gewünschten mechanischen Bauteileigenschaften zu erreichen.