Additive Fertigungsverfahren

Forschung im Bereich der Prozessentwicklung und Auslegung zur Herstellung von additiv gefertigten Strukturen auf Basis von FFF-, SLS- und DLP-Verfahren mit und ohne lokaler Faserintegration

Themenbeschreibung

Additive Fertigungsverfahren bieten vielfältige Möglichkeiten zur Optimierung von Strukturen. Durch die hohe Designfreiheit und die kostengünstige Herstellung kleiner Stückzahlen sind Bauteile möglich, die mit konventionellen Verfahren nur schwierig oder nicht fertigbar sind. Eine Ergänzung der gedruckten Strukturen um beispielsweise eine lastpfadgerechte lokale Faserverstärkung erhöht das Einsatzpotential weiter.

Interessierte Studierende können Additive Fertigungsverfahren als Teil der Vorlesung „Werkstoffe und Fertigungsverfahren für die Luftfahrt“ oder über das praktisch orientierte Seminar „Additive Fertigungsverfahren“ kennenlernen. In letzterem werden die Grundlagen verschiedener AF-Verfahren gelehrt und das Wissen anhand einer Leichtbaukomponente konstruktiv und experimentell umgesetzt.

Forschungsfelder

Faserverstärkte additive Fertigung

Prozessentwicklung

Struktur- und Prozesssimulation

Lastpfadgerechte und topologieoptimierte Strukturen

Kohlenstoffkurzfaserverstärktes Stereolithografiebauteil
Kohlenstoffkurzfaserverstärktes Stereolithografiebauteil

Faserverstärkte additive Fertigung

  • Glas- und kohlenstoffkurzfaserverstärkte Duroplaste
  • Endlosfaserverstärkung von Thermoplaststrukturen

Kurzfaserverstärkte Stereolithografie mittels DLP: Zur vollständig automatisierten und ressourcenschonenden Produktion von Kunststoffbauteilen gilt die additive Fertigung als vielversprechender Ansatz. Durch die Entwicklung von Flächenbelichtungstechnologien im Bereich der Stereolithografie (SL) ist nun aufgrund der simultanen Schichtherstellung eine deutliche Steigerung des Produktionsvolumens möglich.

Lokale, gekrümmte Faserverstärkung
Lokale, gekrümmte Faserverstärkung

Prozessentwicklung

  • Funktionalisierung und Individualisierung durch AM-Inserts
  • Nachträgliche Kurz- und Endlosfaserverstärkung
  • Lastpfadgerechte Bahnplanung

Funktionalisierung von AM-Bauteilen: Die additive Fertigung bietet ein hohes Potential zur flexiblen Herstellung von Kunststoffbauteilen. Durch eine individuelle Gestaltung und der Integration von Inserts unterschiedlicher Art können Bauteile mit hoher Funktionalität hergestellt werden.

Druckpfadbasierte Modellierung von FFF-Bauteilen
Druckpfadbasierte Modellierung von FFF-Bauteilen

Struktur- und Prozesssimulation

  • Materialcharakterisierung für additiv gefertigte Strukturen
  • Strukturanalyse von AM-Bauteilen
  • Prozesssimulation zur Verzugsanalyse

Strukturmechanische Analyse & Verzugsprognose: Eine strukturmechanische Analyse von Bauteilen hergestellt mittels Fused Filament Fabrication (FFF) bietet die Möglichkeit zur Erschließung weiterer Anwendungsfelder jenseits des reinen Prototypings. Durch Prozesssimulationen kann das Verzugsverhalten von FFF-Bauteilen prognostiziert werden

Topologieoptimierte UAV-Motoranbindung
Topologieoptimierte UAV-Motoranbindung

Lastpfadgerechte und topologieoptimierte Strukturen

  • Lastpfadgerechte Auslegung von additiven und hybriden Strukturen
  • Topologieoptimierung unter Berücksichtigung von Fertigungsrandbedingungen

Lastpfadgerechte AM-Strukturen: Die Designfreiheit der additiven Fertigungsverfahren bietet ein großes Potential zur Herstellung von topologieoptimierten und lastpfadgerecht gestalteten Bauteilen. Die Weiterentwicklung von Slicing-Algorithmen im Kontext des Fused Filament Fabrication Verfahrens ermöglichen hierbei neue Konzepte.

Forschungsprojekte

PRIMA - Portierung des Aufbau- und Funktionsprinzips eines Insektenflügels zur Herstellung multifunktionaler Automobilanwendungen (Laufzeit: Q3/2021 bis Q3/2022):
Das Grundprinzip eines Insektenflügels, welches sich durch einen äußerst leichten, aber dennoch stabilen zellularen Aufbau auszeichnet, soll durch eine Kombination aus additiv gefertigten Bauteilen im Stereolithografie-Verfahren und einer nachträglichen Kurzfaserinfiltration nachgebildet werden. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, soll dafür eine automatisierte Infiltrationsanlage entwickelt werden.

FLINK - Flexible Integration von individuellen Inserts durch Inline-Prozessgeregelter subtraktiver Nachbearbeitung und non-planar additiv gefertigter thermoplastischer Kunststoffkomponenten(Laufzeit: Q3/2021 bis Q4/2022):
Durch die Entwicklung einer additiven-subtraktiven Prozesskette in Kombination mit einer gezielten Integration von Inserts sollen mangelnde Fertigungstoleranzen des Fused Filament Fabrication-Prozesses kompensiert und eine „First-Time-Right“-Fertigung ermöglicht werden. Die Integration und Einbindung von Inserts mit gekrümmten Außenkonturen durch Überdrucken erfordert zusätzlich die Entwicklung neuer Slicingstrategien.

EMMA - Entwicklung einer Methode zur Modellgenerierung für eine strukturmechanische Bewertung von additiv gefertigten Bauteilen hergestellt im FFF-Verfahren (Laufzeit: Q2/2021 bis Q2/2022):
Im Rahmen dieses Projektes wird eine Methode entwickelt, welche zur zuverlässigen Struktursimulation von FFF-Bauteilen dient. In dieser Methode wird die Mesostruktur des Bauteils und somit seine Anisotropie realitätsnah modelliert. Das Modell wird automatisiert und auf Basis des Druckpfades aus dem G-Code generiert.

FlexCAR - Offene Fahrzeugplattform für die Mobilität der Zukunft (Laufzeit: Q4/2018 bis Q4/2023):
Ziel der Forschung ist die Entwicklung, Applikation und Etablierung flexibler Produktionsverfahren. Dabei sollen additive Fertigungsverfahren aus dem Bereich des selektiven Lasersinterns (SLS) sowie der Stereolithografie (SLA) mit bestehenden und etablierten Spritzgussverfahren kombiniert werden. Dies soll eine flexible, anpassbare und wirtschaftliche Produktion von fahrzeugindividuellen Anpassungen ermöglichen und hierdurch entscheidend zur Realisierung der FlexCAR-Vision einer update- und upgradebaren Fahrzeugplattform beitragen.

 

ICM AM 2 - Produktivitätsskalierung und additive Fertigungsprozesse für funktionsintegrierte Kunststoffbauteile (Laufzeit: Q3/2019 bis Q2/2021):
Im Rahmen des InnovationsCampus Mobilität der Zukunft wird in diesem Projekt an der Skalierung von Stereolithografieprozessen (SLA) zur Produktivitätssteigerung geforscht. Durch eine gezielte Strahlmodulation eines ultrakurzgepulsten Lasers soll im Prozess veränderbare Auflösungen und eine volumetrische Belichtung möglich werden. Das Projekt wird in Kooperation mit dem IFSW und dem IPOC der Universität Stuttgart durchgeführt.

HYBSH - Hybride Hubschrauberzellenstrukturen durch optimierte Design- und Auslegungsansätze in Verbindung mit fortschrittlichen M&P-Lösungen (Laufzeit: Q2/2018 bis Q2/2021):
Innerhalb des 3. Aufrufs des 5. zivilen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo V-3) hat das Projekt HYBSH zum Ziel, hybride Strukturen durch die Kombination aus faserverstärkten und additiven Fertigungsverfahren für den Einsatz in der Luftfahrtindustrie und geeignete Auslegungsmethoden für AM-Strukturen zu entwickeln.

SYMPA - Stereolithografie-Materialien, -Prozesse und Plasma-Nachbehandlungsverfahren für dauerbeständige Automobilanwendungen (Laufzeit: Q3/2018 bis Q3/2021):
Innerhalb des BMBF-Förderprogramms „Vom Material zur Innovation“ hat das Projekt SYMPA zum Ziel, nachhaltige Materialien, Prozesse und Nachbehandlungsverfahren für den Einsatz von Stereolithografieverfahren (SLA) zu entwickeln, um einen dauerhaften Einsatz (~10 Jahre) in Automobilanwendungen zu ermöglichen.

Publikationen

Alle Publikationen nach Erscheinungsjahr

  1. 2023

    1. Mesarosch, F., Schlotthauer, T., Springmann, M., Schneider, J., & Middendorf, P. (2023). Topology Optimization and Production of a UAV Engine Mount Using Various Additive Manufacturing Processes. In J. Rieser, F. Endress, A. Horoschenkoff, P. Höfer, T. Dickhut, & M. Zimmermann (Hrsg.), Proceedings of the Munich Symposium on Lightweight Design 2021 (S. 124--135). Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-65216-9_12

  2. 2022

    1. Baranowski, M., Netzer, M., Gönnheimer, P., Coutandin, S., Fleischer, J., Schlotthauer, T., & Middendorf, P. (2022). Functional Integration of Subcomponents for Hybridization of Fused Filament Fabrication. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, 319--325. https://doi.org/10.18178/ijmerr.11.5.319-325

  3. 2021

    1. Schlotthauer, T., Nolan, D., & Middendorf, P. (2021). Influence of short carbon and glass fibers on the curing behavior and accuracy of photopolymers used in stereolithography. Additive Manufacturing, 42, 102005. https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102005
    2. M. Baranowski, T. Schlotthauer, M. Netzer, P. Gönnheimer, S. Coutandin, J. Fleischer, & P. Middendorf. (2021). Hybridization of Fused Filament Fabrication components by stereolithographic manufactured thermoset inserts. In ICMEP 2021 - The 10th International Conference on Manufacturing Engineering and Processes. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3934-01
    3. Berking, T., Lorenz, S. G., Ulrich, A. B., Greiner, J., Kervio, E., Bremer, J., Wege, C., Kleinow, T., & Richert, C. (2021). The Effect of Pooling on the Detection of the Nucleocapsid Protein of SARS-CoV-2 with Rapid Antigen Tests. Diagnostics, 11(7), Article 7. https://doi.org/10.3390/diagnostics11071290
    4. Schlotthauer, T., Nitsche, J., & Middendorf, P. (2021). Evaluation of UV post-curing depth for homogenous cross-linking of stereolithography parts. Rapid Prototyping Journal, ahead-of-print(ahead-of-print), Article ahead-of-print. https://doi.org/10.1108/RPJ-12-2020-0309
    5. Schlotthauer, T., Geitner, A., Seifarth, C., Schendel, O., Lück, T., Kaindl, R., Kopp, D., Spalt, S., Walter, P., Nolan, D., & Middendorf, P. (2021). Reinforcement of stereolithographic manufactured structures by the subsequent infusion of short carbon fibers. In SAMPE Europe Conference.
    6. Springmann, M., Schlotthauer, T., Peter, A., Altmann, H., Musso, J., & Middendorf, P. (2021). Identifikation geeigneter Photopolymerezur Verarbeitung in Zwei-Photonen-SLA-Verfahren. In 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium.
    7. Springmann, M., Mirzaei, S., & Middendorf, P. (2021). Printing Path Based Modeling of FFF Meso-structures for Finite Element Analysis. In NAFEMS World Congress.
    8. Kaindl, R., Kopp, D., Spalt, S., Schlotthauer, T., Seifarth, C., Schendel, O., Lück, T., Walter, P., Nolan, D., Lackner, J., & Waldhauser, W. (2021). Friction- and wear-reducing atmospheric pressure plasma molybdenum disulfide -- graphite coatings on fibre-reinforced composites manufactured by stereolithography. In EUROMAT.
    9. Heieck, F., Muhs, F., Springmann, M., Unger, N., & Weißgraeber, P. (2021). Advancing from Additive Manufacturing to Large-Scale Production of Face Shields During the COVID-19 Pandemic. Advances in Automotive Production Technology -- Theory and Application, 110, 394--404. https://doi.org/10.1007/978-3-662-62962-846
    10. Schlotthauer, T., & Middendorf, P. (2021). Hollow stereolithographic structures reinforced by short carbon fibres. In JEC Composite Magazine (Bd. 143, S. 21--24).
    11. T. Schlotthauer, S. R. Raisch, A. Dorneich, T. Heckner, T. Mohr, & P. Middendorf. (2021). Teilindividualisierte und nachverfolgbare Spritzgussbauteile durch In-situ-Anbindung additiv hergestellter Subkomponenten. In 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium.

  4. 2020

    1. Schlotthauer, T. (2020). Stereolithografie-Materialien, Prozesse und Plasma-Nachbehandlungsverfahren für dauerbeständige Automobilanwendungen. In Technologiegespräch Materialinnovationen für die additive Fertigung.
    2. Nitsche, J., Schlotthauer, T., Hermann, F., & Middendorf, P. (2020). Experimental and theoretical study on depth of cure during UV post-curing of photopolymers used for additive manufacturing. In SCAP 2020 - Stuttgart Conference on the Automotive Production. https://doi.org/10.1007/978-3-662-62962-840

  5. 2019

    1. T. Schlotthauer, & P. Middendorf. (2019). Prozessgrenzen bei der stereolithografischen Herstellung von Kohlenstoff-kurzfaserverstärktem Kunststoff. In 26. Stuttgarter Kunststoffkolloquium.
    2. Springmann, M. (2019). Verbindung lastpfad-optimierter FVK Strukturen mit additiv gefertigten Elementen. In AFBW AG Simulation.

Abschlussarbeiten

Abgeschlossene

  1. 2022

    1. Zengler, N.: Entwicklung und Erprobung einer Aktuatorik zur nachträglichen, automatisierten Kurzfaserinfiltration additiv gefertigter Bauteile, (2022).
    2. Braun, S.: Entwicklung eines Slicers zur Herstellung additiv gefertigter FFF-Bauteile, (2022).
    3. Blankenhorn, N.: Untersuchung von Finite-Elemente-Simulationsansätzen auf Basis der klassischen Laminattheorie für die strukturmechanische Analyse von additiv-gefertigten FFF-Bauteilen, (2022).
    4. Kocsis, D.: Topologieoptimierung und Herstellung einer eVTOL Motorgondel mittels additiver Fertigungsverfahren, (2022).

  2. 2021

    1. Müller, D.: Aufbau einer flexiblen non-planaren Slicingstrategie zur Herstellung von additiv gefertigten FFF-Bauteilen, (2021).
    2. Käss, M.: Experimentelle Charakterisierung von Materialkennwerten für additiv gefertigte FFF-Bauteile zur Grundlage einer Modellierung auf Basis der Klassischen Laminattheorie, (2021).
    3. Mirzaei, S.: Aufbau einer Modelierungsmethodik für AM-Bauteile gefertigt mit FFF-Verfahren, (2021).
    4. Pax, D.C.: Weiterentwicklung und Validierung eines analytischen Modells zur Steifigkeitsvorhersage von additiv gefertigten FFF-Strukturen, (2021).
    5. Mesarosch, F.: Topologieoptimierung und Herstellung einer UAV-Motoranbindung mittels verschiedenen additiven Fertigungsverfahren, (2021).

  3. 2020

    1. Rothmeier, M.: Umsetzung und Untersuchung einer non-planaren Slicing-Strategie für additiv gefertigte Bauteile, (2020).
    2. Hengerer, A.: Konsolidierung von kurzfaserverstärkten Photopolymeren. (2020).
    3. Frenzel, T.: Entwicklung und Erprobung eines Gussverfahrens zur Herstellung von kurzfaserverstärkten Zugproben, (2020).
    4. Bayerbach, J.: Ausrichtung von Kurzfasern in stereolithografischen Druckprozessen, (2020).
    5. Lichtl, M.: Entwicklung und Konstruktion einer Vorrichtung zum galvanisieren von 3D-Druck Bauteilen, (2020).

  4. 2019

    1. Kocsis, D.: Mechanische Kennwertermittlung zur Charakterisierung von additiv verarbeitetem Ultem 9085 hergestellt mittels Fused Filament Fabrication, (2019).
    2. Schirrecker, F.: Entwicklung, Konstruktion und Erprobung einer Vorrichtung zur gerichteten Einbringung von Kurzfasern in einen stereolithografischen Druckprozess, (2019).
    3. Breitinger, T.: Ermittlung des Einflusses einer Kurzfaserintegration auf die Arbeitsbereiche von Photopolymeren, (2019).
    4. Zeller, L.: Konstruktion und Topologieoptimierung eines Radträgers für das Gegenwindfahrzeug von InVentus, (2019).
    5. Clausen, T.: Untersuchung zu Prozesseinflussfaktoren bei der Kohlenstoff-Kurzfaserverstärkung von photoreaktiven Duroplasten und den hierdurch erreichbaren Verbundeigenschaften, (2019).
    6. Hübschen, T.: Untersuchung einer Kohlekurzfaserverstärkung von photoinitiierten Duroplasten in einem flächenbasierten Stereolithografieprozess, (2019).
    7. Liebl, M.: Grundlagenstudien einer Kurzfaserverstärkung von photoreaktiven Duroplasten mittels gemahlenen Glasfasern, (2019).
    8. Schwille, F.: Simulative und experimentelle Untersuchung der Maßhaltigkeit additiv gefertigter Bauteile unter Berücksichtigung von Topologie-Optimierungsaspekten, (2019).
    9. Krein, V.: Experimentelle Untersuchungen zur Kombination geeigneter duroplastischer Matrixsysteme mit additiv verarbeitetem Polyetherimid, (2019).
    10. Weber, B.: Untersuchung der Verbindungsgüte von umspritzten additiv gefertigten Individualbauteilen, (2019).
    11. Pelster, J.: Experimentelle Nachbehandlungsoptimierung für den Einsatz von Hochleistungs-Harzsystemen für die additive Fertigung, (2019).
    12. Eißner, J.: Prototypenentwicklung eines Bauplattform-Rotationsmechanismus zur gerichteten Kurzfasereinbringung in einen flächenbasierten Stereolithografieprozess, (2019).

  5. 2018

    1. Carle, R.: Analyse der mechanischen Langzeitbeständigkeit von neuartigen UV-sensitiven Stereolithografie-Harzen, (2018).
    2. Syguda, N.: Experimentelle Untersuchung von Faserverstärkungsmethoden für additiv gefertigte Thermoplast-Bauteile, (2018).
    3. Kittler, L.: Untersuchung und Steigerung der Dichtigkeit von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen, (2018).
    4. Dölling, J.: Untersuchung des Einflusses von Prozessparametern auf die Materialeigenschaften von neuartigen Stereolithografie-Harzen, (2018).
    5. Hai, A.A.E.: Konstruktion und Entwicklung einer(teil) automatisieren Entpackstation für eine Laser-Sinter Anlage, (2018).

  6. 2017

    1. Bauer, M.: Entwicklung und Konstruktion einer Halterung zur Fixierung vorgefertigter Bauteile im Bauraum einer Laser-Sinter-Anlage, (2017).
    2. Bornfleth, T.: Experimentelle Untersuchung der Maßhaltigkeit von additiv gefertigten Bauteilen mit dem Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren, (2017).

  7. 2016

    1. Müller, S.: Einfluss des Mischungsverhältnisses des Pulvers auf die Materialkennwerte und die Oberflächenqualität von Laser-Sinter-Bauteilen, (2016).

Team

Gruppenleiter

Dieses Bild zeigt Stefan Carosella

Stefan Carosella

Dr.-Ing.

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Stellvertretender Bereichsleiter Fertigungstechnologie

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