3D-FiberTrain: Werkzeuglose Fertigung großformatiger thermoplastischer Faserverbundbauteile

3D-FiberTrain ist ein Forschungsprojekt zur Entwicklung einer werkzeuglosen Fertigungskette für großformatige thermoplastische Faserverbundbauteile. Die Prozesskette verbindet Large Scale Additive Manufacturing (LSAM), gezielte Endlosfaserverstärkung, FEM-basierte Bauteilauslegung, Topologieoptimierung und automatisierte spanende Nachbearbeitung.

Die Technologie wurde anhand von Demonstratorbauteilen für den Schienenfahrzeugbau, unter anderem für den Hochgeschwindigkeitszug ICE 3neo, erprobt.

Ziel von 3D-FiberTrain ist es, die Herstellung großformatiger und belastbarer Faserverbundbauteile insbesondere für Prototypen, Klein- und Mittelserien sowie Ersatzteile wirtschaftlicher zu gestalten.

Im Mittelpunkt steht der additive Bauteilaufbau ohne konventionelle Press- oder Gussformen. Dadurch können Bauteilgeometrien digital angepasst und Fertigungsprozesse flexibler auf unterschiedliche Bauteile ausgelegt werden.

Die Prozesskette ermöglicht:

• werkzeuglose Herstellung großformatiger Bauteile durch 3D-Druck
• digitale Anpassung von Bauteilgeometrien
• belastungsgerechte Materialverteilung durch FEM und Topologieoptimierung
• lokale Verstärkung hochbelasteter Bereiche mit Endlosfasern
• automatisierte Fertigungs- und Nachbearbeitungsschritte
• Einsatz thermoplastischer Werkstoffe mit Recyclingpotenzial

Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Fertigungskette wurde anhand eines großformatigen Demonstrators für den Schienenfahrzeugbau untersucht. Der eingesetzte 3D-Drucker verfügt über einen Bauraum von 5 m × 4 m × 3 m. Der Demonstrator hatte Abmessungen von etwa 1,5 m × 1,8 m × 2 m und ein Gewicht von 103 kg.

Für den Demonstrator wurden modifiziertes glasfaserverstärktes Polycarbonat als Matrixwerkstoff und UD-Tapes-Endlos-Glasfasern zur lokalen Verstärkung eingesetzt. Der Anteil der Endlosfasern betrug 1,5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht.

Der Demonstrator wurde mit dem Ziel gefertigt, eine konventionelle Herstellungstechnologie durch einen werkzeuglosen additiven Fertigungsprozess zu ersetzen. Im Fokus stand daher nicht die Gewichtsreduzierung, sondern die Herstellung des großformatigen Bauteils ohne konventionelle Form.

Mechanische und brandschutztechnische Anforderungen

Der Demonstrator erfüllt die Sicherheitsanforderungen an die Festigkeit nach DIN EN 12663-1. Darüber hinaus wurden die Brandschutzanforderungen HL2/HL3 nach DIN EN 45545-2 erfüllt.

Werkzeugloser Bauteilaufbau

Für den additiven Aufbau werden keine konventionellen Press- oder Gussformen benötigt. Das kann insbesondere bei Prototypen, Klein- und Mittelserien sowie Ersatzteilen den Werkzeugaufwand reduzieren.

Belastungsgerechte Materialverteilung

Die Kombination aus FEM-basierter Bauteilauslegung, Topologieoptimierung und lokaler Endlosfaserverstärkung ermöglicht eine gezielte Anpassung von Material und Verstärkung an die mechanischen Anforderungen des Bauteils.

Flexible Geometrieanpassung

Änderungen an der Bauteilgeometrie können auf digitaler Ebene vorgenommen werden. Im Vergleich zu Fertigungsverfahren mit festgelegten Formwerkzeugen können dadurch Designänderungen ohne die Herstellung eines neuen Formwerkzeugs umgesetzt werden.

Großformatige additive Fertigung

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM) ermöglicht den additiven Aufbau großvolumiger thermoplastischer Bauteile. Das Verfahren eröffnet insbesondere für große Komponenten neue Möglichkeiten in der werkzeuglosen Fertigung.

Thermoplastische Werkstoffbasis

Thermoplastische Matrixsysteme können Vorteile für eine spätere Wiederverwertung bieten. Die tatsächliche Recyclingfähigkeit hängt unter anderem vom eingesetzten Werkstoffsystem und dem Aufbau des Faserverbundbauteils ab.

Die im Projekt 3D-FiberTrain entwickelte Prozesskette verbindet mehrere aufeinander abgestimmte Entwicklungsschritte:

Materialauswahl → Materialcharakterisierung → Bauteilsimulation → Topologieoptimierung → großformatiger 3D-Druck → gezielte Endlosfaserverstärkung → spanende Nachbearbeitung → mechanische Prüfung.

Das Fraunhofer IWU bringt gemeinsam mit dem Fraunhofer IMWS seine Expertise in ausgewählte Schritte dieser Prozesskette ein.

Werkstoffauswahl und Werkstoffcharakterisierung

Für die jeweilige Anwendung werden geeignete thermoplastische Matrixsysteme und Faserverstärkungen ausgewählt. Mechanische und weitere werkstofftechnische Prüfungen liefern Materialkennwerte für die spätere Bauteilauslegung und Simulation.

Simulation des 3D-Druckprozesses

Simulationen unterstützen die Planung des additiven Fertigungsprozesses. Dabei können unter anderem Bauteilgeometrie, Fertigungsstrategie und Prozessparameter aufeinander abgestimmt werden.

FEM-basierte Bauteilauslegung
Die Finite-Elemente-Methode (FEM) wird eingesetzt, um mechanische Belastungen und Verformungen zu analysieren. Die Simulation liefert die Grundlage für eine belastungsgerechte Auslegung des Bauteils.

Topologieoptimierung und Endlosfaserverstärkung
Die Topologieoptimierung ermittelt, wo Material für die mechanische Belastbarkeit benötigt wird. Hochbelastete Bereiche können anschließend gezielt mit Endlosfasern verstärkt werden. Dadurch entsteht eine lokal an die Belastung angepasste Faserverbundstruktur, anstatt das gesamte Bauteil mit einer gleichmäßigen Verstärkung auszulegen.

Großformatiger 3D-Druck mit LSAM / FGF
Beim Large Scale Additive Manufacturing (LSAM) werden großvolumige Bauteile additiv aus thermoplastischem Material aufgebaut. Je nach Prozess wird das Ausgangsmaterial beispielsweise in Form von Granulat verarbeitet (Fused Granulate Fabrication, FGF). Der additive Aufbau ermöglicht die Fertigung großer Geometrien ohne konventionelle Formwerkzeuge.

Mechanische Bauteilprüfung
Zum Abschluss werden Bauteile und Demonstratoren unter definierten mechanischen Belastungen geprüft. Die Messergebnisse werden mit den Ergebnissen der Simulation verglichen und zur Bewertung der Bauteilauslegung und Prozesskette genutzt.

3D-FiberTrain wurde für großformatige Komponenten im Schienenfahrzeugbau erprobt. Zu den Demonstratorbauteilen gehören unter anderem die Bugnase und Frontschürzen für den Hochgeschwindigkeitszug ICE 3neo.

Sie möchten prüfen, ob sich Ihr großformatiges Faserverbundbauteil werkzeuglos fertigen lässt?

Das Fraunhofer IWU unterstützt Unternehmen bei der Entwicklung und Umsetzung geeigneter additiver Fertigungsprozesse. Sprechen Sie mit uns über Ihre Anwendung.

Laufzeit
September 2023 bis Juni 2026

Koordination
HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH

Fördermittelgeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Förderkennzeichen
19I23008C

Projektpartner

• Lakowa Gesellschaft für Kunststoffbe- und -verarbeitung mbH
• Fraunhofer IMWS