Neuland

Losgrösse 1 im Sinne des Patienten

Prof. Jürgen Fleischer und Jörg Dittus realisieren mit ARBURG die additive Fertigung von faserverstärkten Kunststoffen mit Endlosfasern. Die neue Produktionstechnik könnte in Zukunft die Maßanfertigung von Prothesen erleichtern.

Die ersten Versuche, fehlende Körperteile durch körperfremde Komponenten zu ersetzen und so die Funktionalität zu erhalten, machten bereits die Etrusker in der Antike. Sie fixierten verlorengegangene Zähne mit Golddrähten, um störende Zahnlücken zu überbrücken. Viel komplexere und funktionellere Prothesen und Implantate sind dank der voranschreitenden Entwicklung in der Medizintechnik heute keine Seltenheit mehr: Sie ersetzen Körperteile, beispielsweise durch Beinprothesen, oder übernehmen eigenständig lebenswichtige Funktionen innerhalb des Körpers, wie etwa Herzklappenimplantate.

Stahl und Titan sind bis dato das Material der Wahl, wenn es um die Belastbarkeit und Biokompatibilität der künstlichen Ersatzkomponenten geht. Bedingt durch die Forderung nach einer wirtschaftlichen Fertigung werden metallische Prothesen meist in großen Stückzahlen in einer massenkompatiblen Geometrie produziert. Sonderanfertigungen sind mit erheblichen Mehrkosten verbunden.

„Die additive Fertigung ist eine vergleichsweise junge technologische Entwicklung. Es motiviert mich, ein solch neues Feld mitzugestalten und so die Produktionstechnik von Morgen zu prägen.“

Jörg Dittus

Mit einer richtungsweisenden additiven Fertigungstechnik für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) schaffen die Forscher Prof. Jürgen Fleischer und Jörg Dittus vom wbk Institut für Produktionstechnik des KIT mit Unterstützung der Spezialisten des Maschinenbauers ARBURG GmbH + Co KG die besten Voraussetzungen für maßgefertigte, medizinische Prothesen und Medizinprodukte aus druckbaren Faserverbundwerkstoffen.

„Additiv gefertigte Kunststoffe mit Faserverstärkung bringen durch ihre Materialeigenschaften Vorteile in der Flexibilität und Individualisierung. Wir erreichen im Vergleich zu Metallbauteilen eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Performance“, erklärt Dittus, der im Rahmen seiner Promotion an der additiven Fertigung von Faserverbundbauteilen für den Leichtbau forscht. Auf der Grundlage des geschützten Verfahrens ARBURG Kunststoff-Freiformen (AKF) und einer speziell entwickelten Fadenzuführeinheit für die Verstärkungsfaser ist es den Projektpartnern im ARBURG Innovation Center am KIT gelungen, FVK-Teile aus Kunststoff mit sogenannten Endlosfasern, beispielsweise aus Glas oder Kohlenstoff, additiv herzustellen – sozusagen den 3D-Druck für faserverstärkte Kunststoffteile.

„Die Endlosfasern werden mithilfe einer Fadenzuführeinheit direkt beim schichtweisen Auftragen des Kunststoffs in das Bauteil implementiert. Bisher gibt es eine industrietaugliche Prozessierung nur für Kurzfasern“, so Dittus. „Die additive Fertigung mit Endlosfasern ist ein wenig bespieltes Feld. Wir haben das prozesstechnische Know-how aufgebaut und in die Prototypenentwicklung einfließen lassen.“ Der Prototyp der Fadenzuführeinheit wurde in den „freeformer“, das additive Fertigungssystem von ARBURG, integriert und durchläuft aktuell eine Testphase zur Prozesssicherheit. Mit dem starken Partner ARBURG und der Anwendungsbreite des AKF-Verfahrens stehen zahlreiche Kunststoffe und Spezialkunststoffe, insbesondere für die Medizintechnik, bereits als Standardgranulat zur Verfügung.

Die additive Fertigung spielt ihre Vorteile vor allem aus, wenn Komponenten individuell in Einzelanfertigung oder Kleinserie profitabel angefertigt werden sollen. „Wir sehen großes Potenzial im Bereich der Medizintechnik. Hier ist das Ziel, genau eine maßgefertigte und robuste Prothese in Losgröße 1 herzustellen, die optimal an den Patienten angepasst ist“, konkretisiert Prof. Fleischer. Mit FVK seien feste Funktionsbauteile herstellbar, aus denen hochbelastbare Prothesen mit geringem Gewicht gefertigt werden könnten. Davon würden aber nicht nur die Medizintechnikhersteller profitieren, sondern vor allem die Patienten: Passgenaue Prothesen erhöhen den Tragekomfort und sichern eine einwandfreie Funktionalität.

Martin Neff, Abteilungsleiter für Kunststoff-Freiformen bei ARBURG berichtet: „Wir haben einige Kunden, die im Spritzgießen faserverstärkte Materialen einsetzen und mit der additiven Fertigung einen Mehrwert bieten wollen. Denn diese ersetzt nicht etablierte subtraktive oder Spritzgießverfahren, sondern ist eine sinnvolle Ergänzung dazu.“ Ob das Verfahren zukünftig in Werkstätten den Prototypentest für Prothesen erleichtert oder sogar verkaufsfähige Prothesen für den Patienten gefertigt werden, wird sich in Zukunft zeigen.

Bilder v.o.n.u.: Apple‘s Eyes Studio / Shutterstock, bearbeitet von DER PUNKT | Patrick Langer / KIT

Faserverstärkte Kunststoffe im Einsatz

Additiv gefertigte Kunststoffteile können ihre Stärken in unterschiedlichsten Industriezweigen ausspielen: Karosserieteile im Automobilbau, Elektronik sowie Verpackungen und Griffe bis hin zu medizintechnischen Anwendungen.

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind eine relativ junge Werkstoffgruppe – Verbundwerkstoffe bestehend aus technischen Fasern, wie z.B. Glas, Kohlenstoff oder Aramid, die in eine polymere Matrix eingebettet sind. In der Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff werden durch gegenseitige Wechselwirkung, Adhäsiv- und Kohäsivkräfte, robuste Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs mit hoher spezifischer Steifigkeit und Festigkeit erreicht. Die Materialeigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbunds können u.a. durch Faserwinkel, Faservolumenanteil und Schichtreihenfolge eingestellt werden.

Die Anwendungsgebiete von faserverstärkten Kunststoffen nehmen, auch bedingt durch die Entwicklung neuer additiver Produktionsmethoden, stetig zu. Oftmals haben sie die traditionell zur Anwendung kommenden metallischen Werkstoffe bereits ersetzt. Nachfolgend zwei verbreitete Fasermaterialien mit den spezifischen Einsatzgebieten.

 

Verbundwerkstoff mit Glasfasern

Glasfaserverstärkte Kunststoffe, kurz GFK, sind das meist verwendete Verstärkungsmaterial für Faserverbundwerkstoffe. Der grundlegende Vorteil von GFK sind der niedrige Kostenfaktor, ein geringes Gewicht sowie eine hohe Stabilität und Korrosionsbeständigkeit. GFK ist nicht saugfähig, lässt sich einfach abwaschen und desinfizieren.

Die Hauptanwendungen finden sich im Fahrzeug-, Flugzeug- und im Schiffsbau. Dort wird GFK häufig in Karosserieteile oder konstruktive Bauteile verarbeitet. GFK eignet sich auch für den Einsatz bei Windkraftanlagen oder Brücken. Zusätzlich lässt die hohe Anpassungsfähigkeit des Werkstoffs Anwendungen als Behälter im Anlagenbau und Rohrleistungsbau zu. Die guten Isolationseigenschaften machen GFK zudem für die Elektroindustrie interessant. Im Alltag wird GFK in Kleidung und Sanitäreinheiten, wie Waschbecken oder Duschwannen, eingesetzt. Im Freizeitbereich findet GFK Verwendung im Wohnwagen- und Wohnmobilbau oder GFK-Profile als Zeltstangen oder Segellatten.

 

Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern

Faserverstärkte Kunststoffe mit Kohlenstofffasern, kurz CFK, haben sich für Bauteile mit hohen thermischen und mechanischen Anforderungen bewährt. CFK-Komponenten zeichnen sich durch Zug- und Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Arbeitsaufnahme aus. Zusätzlich sind sie leichter als reine Metallteile und bei sehr hohen Temperaturen beständig. Deshalb kommt CFK besonders bei hochbelastbaren, sehr steifen Bauteilen zum Einsatz.

CFK-Bauteile sind teuer in der Herstellung verglichen mit kommerziell eingesetzten Metallbauteilen gleicher Belastbarkeit. Sie kommen deshalb besonders dort zum Einsatz, wo stabile Leichtbaukonstruktionen gefordert sind und wo eine geringe Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit für erhöhte Kosten in Kauf genommen wird, also meist für Spezialanwendungen.

Der Einsatz von CFK ist verbreitet in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Yachtbau, in der Medizintechnik oder bei hochwertigen Automobilteilen. Auch im Bootsbau, beispielsweise bei Rotorblättern, oder in der Sportartikelindustrie für professionelle Sportgeräte, wie etwa Golfschläger, Fahrradkomponenten oder Skiequipment, wird CFK aufgrund seiner guten Materialeigenschaften verarbeitet.

Bild: ARBURG GmbH + Co KG

Tradition trifft Hightech im 3D-Freiformen

Im ARBURG Innovation Center am KIT erforschen die Wissenschaftler des wbk Instituts für Produktionstechnik gemeinsam mit der ARBURG GmbH + Co KG neue Technologien zur additiven Fertigung. Auf Basis des freeformers von ARBURG wurde die additive Fertigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffbauteilen realisiert. Hierbei werden beliebige dreidimensionale Kunststoffbauteile Schicht für Schicht aus Kunststofftropfen aufgebaut. Eine passend dazu entwickelte Fadenzuführung für die Endlosfaser rotiert rund um die Kunststoffaustragsdüse. Der plastifizierte Kunststoff wird auf die unterhalb der Austragsdüse positionierte Faser ausgetragen und implementiert diese so direkt in das Bauteil. Die neuartige Fertigungstechnik eignet sich besonders für das Prototyping und die Herstellung individueller Kleinserien.

Der vollständige Bericht über die Kooperation wurde im Innovations-Newsletter RESEARCH TO BUSINESS des KIT veröffentlicht.

Bilder: Patrick Langer / KIT

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer

Prof. Dr. Jürgen Fleischer studierte Maschinenbau und promovierte 1989 im Bereich Produktionstechnik an der damaligen Universität Karlsruhe (TH), die ins heutige KIT umfirmiert wurde. Nach seiner Promotion war er von 1992 und 1999 in verschiedenen leitenden Positionen in Forschung, Entwicklung und Produktion im Daimler-Chrysler-Konzern tätig. Im Jahr 2003 kehrte er als Professor und Leiter des wbk Instituts für Produktionstechnik an die Universität Karlsruhe zurück.

Von 2008 bis 2010 wurde Prof. Fleischer aus Landesinteresse vom Universitätsdienst beurlaubt, da er von der Firma MAG Industrial Automation Systems zum „Chairman of the Executive Board“ berufen wurde. Im Jahr 2010 kehrte er als Lehrstuhlinhaber und Institutsleiter zurück ans KIT und war bis 2014 auch als Dekan der Fakultät für Maschinenbau aktiv. In seiner Forschung konzentriert sich Prof. Fleischer auf die Fertigungsautomatisierung und den Werkzeugmaschinenbau. Schwerpunkt sind hierbei mechatronische Komponenten und Leichtbau.

Seit 2012 ist Fleischer zudem Gastprofessor an der Tongji Universität in Shanghai, China. Prof. Fleischer engagiert sich darüber hinaus in einigen Verbänden und Gruppen: Er ist Mitglied und Vorsitzender des Wissenschaftsausschusses der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP), Mitglied der International Academy for Production Engineering (CIRP) in Paris sowie Mitglied des Senats für das Gebiet Produktionswissenschaft der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und Mitglied des Auswahlausschusses für den Landesforschungspreis Baden-Württemberg.

Jörg Dittus

Jörg Dittus absolvierte das Studium „Maschinenbau“ mit dem Abschluss Master of Arts am Karlsruher Institut für Technologie. Neben seinem Studium arbeitete er als Hilfswissenschaftlicher Mitarbeiter am wbk Institut für Produktionstechnik. Dort befasste er sich mit der Automatisierung der Produktionskette eines Resin-Transfer-Moulding-Prozesses sowie der Herstellung und Optimierung von Faserverbundkunststoffteilen. Nach dem Studium ist der Maschinenbauer Dittus als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut geblieben und arbeitet dort seit 2018 an seiner Promotion im Themenfeld Polymerengineering. In seinen aktuellen Forschungsprojekten widmet er sich intensiver dem Bereich der Leichtbaufertigung sowie der additiven Fertigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen.

Dip.-Ing. (FH) Martin Neff

Martin Neff arbeitet seit 1996 bei ARBURG. Als Projektingenieur verantwortete er zunächst sieben Jahre lang das Projektmanagement komplett automatisierter Fertigungszellen. Von Oktober 2003 bis Januar 2007 war er in der Abteilung „Internationalen Technical Support“ technischer Berater für die internationale ARBURG Vertriebsorganisationen mit Schwerpunkt im Asiatisch-Pazifischen Raum.

Im Juli 2007 wechselte er als Project und Engineering Manager zu der US-amerikanischen Tochtergesellschaft ARBURG, Inc., wo er die Engineering-Abteilung leitete. Im Januar 2010 übernahm er als Sales and Engineering Manager die Leitung des ARBURG Technology Centers Midwest in Elgin, IL.

Im Juli 2013 kam er ins deutsche ARBURG Stammhaus Loßburg in Deutschland zurück und übernahm die Leitung der Gruppe Technologie-Beratung Kunststoff-Freiformen. Seit Anfang 2017 ist er als Abteilungsleiter für die Entwicklung der Maschinen- und Prozesstechnologie des freeformers verantwortlich.

Bilder v.o.n.u.: wbk Institut für Produktionstechnik / KIT | Daniel Kuntze / die FotoFabrik | ARBURG GmbH + Co KG