Die RWTH Aachen durchleuchtet mit X1000 3D-Druckers die Erfordernisse der Industrie

Auf den Spuren der Fertigungsverfahren unserer Zeit
Die RWTH Aachen durchleuchtet mithilfe des German RepRap X1000 3D-Druckers die aktuellen Anforderungen der Industrie an die Additive Fertigung.

Durch die rasante Entwicklung von neuen, additiven Fertigungsverfahren sieht sich die Industrie neuen Herausforderungen ausgesetzt. Die zunehmende Professionalisierung der Fertigungssysteme nach Industrie-Standard wurde durch Hersteller wie die deutsche German RepRap GmbH in den letzten Jahren entscheidend beeinflusst. Dabei spielt für die Industrie vor allem die Prozess-Sicherheit, hohe mechanische Präzision und die Wiederholbarkeit der Ergebnisse eine einnehmende Rolle. Hinzu kommt der rasant wachsende Markt von neuen technischen Materialien, insbesondere Kunstoffen aus dem FDM Bereich, mit welchen sich völlig neue Anwendungsfelder eröffnen. Dabei zeichnet sich ein klarer Trend ab, der von einem reinen Prototypen oder Anschauungsmodell zu technisch und thermisch belastbaren Bauteilen führt, die als Funktionsprototyp oder sogar als Teil eines Endprodukts dienen.

Die RWTH – Aachen untersucht mittels verschiedener Institute im Aachener Center for Additive Manufacturing (ACAM), wie dem Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Indutsrie und Handwerk an der RWTH Aachen, die unterschiedlichen Fachbereiche zur Additiven Fertigung. Das IKV hat vor kurzem erst die neuen Erweiterungsbauten am Seffenter Weg 201 auf dem Campus Melaten eröffnet. Eine bedeutende Bereicherung ist das Technikum zur Additiven Fertigung im neu errichteten Gebäudebereich. Die Universität hat in hochmoderne Maschinen investiert, darunter auch in einen X1000 Großraum-3D-Drucker der Firma German RepRap. In dem neuen Technikum zur Additiven Fertigung sollen zunächst Untersuchungen durchgeführt werden, die vor allen Dingen die physikalischen Prozesse, die bei der Additiven Fertigung stattfinden, grundlegend durchleuchten.
Um die Kompetenzen der unterschiedlichen Fachbereiche der Additiven Fertigung an einer Stelle zu bündeln, wurde das Aachener Center for Additive Manufacturing (ACAM) gegründet. Hier werden die Einsatzmöglichkeiten, das Entwicklungspotenzial und auch die Prozesstechnik der Additiven Fertigungstechnik mit Hilfe des German RepRap X1000 genau unter die Lupe genommen. Dies geschieht nicht nur zu Forschungszwecken: wichtig ist es der RWTH, die Industrie dabei zu unterstützen, den aktuellen Anforderungen und neuen Möglichkeiten gut gerüstet gegenüberzutreten. Es sollen neue Wege aufgezeigt werden, damit die Vorteile erkannt und bei Bedarf richtig eingesetzt werden können. Die Universität nimmt damit eine Beratungsfunktion ein. Es werden unterschiedliche Beratungsprojekte zur Evaluierung der Vor- und Nachteile für Unternehmen angeboten. Hierbei werden von der RWTH Aachen Machbarkeitsstudien, Konsortialstudien und Benchmarkings durchgeführt. „Wir untersuchen die Möglichkeiten und die Grenzen der Technologie und möchten damit die Industrie unterstützen, die Verfahren der Additiven Fertigung sinnvoll einzusetzen,“ so Nicolai Lammert, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Technikum zur additiven Fertigung am IKV und Anlagenbetreuer des X1000. Den Nachwuchsingenieuren werden ebenfalls alle wichtigen Inhalte dieser neuen Technologie der Additiven Fertigung in einer eigens eingerichteten Vorlesungsreihe vermittelt, um sie optimal auf ihre spätere berufliche Tätigkeit nach dem Studium vorzubereiten. Die RWTH Aachen strebt an, eine in Forschung und Lehre dauerhaft exzellente, weltweit sichtbare Hochschule zu sein, die einerseits herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und andererseits qualifizierten Führungsnachwuchs für Industrie und Gesellschaft im nationalen wie internationalen Kontext ausbildet.

Zum Thema 3D Druck ist das IKV in Aachen bereits in den 90er Jahren gekommen. Damals wurde zunächst die Stereolithographie zur Herstellung von Prototypen und Werkzeugen, nach dem Rapid Tooling-Konzept, als Fokus definiert. Diese indirekte additive Fertigung wurde in den Zusammenhang des „Simultanious Engineering“ gesetzt, um Entwicklungsvorgänge zu beschleunigen. Da dieser Bereich nunmehr seit Jahrzehnten ein Forschungsthema am IKV ist, stellen die insgesamt rund 11 Millionen Euro Investitionskosten für den neuen Gebäudekomplex, die aus dem Hochschulmodernisierungsprogramm des Landes NRW und aus Eigenmitteln der RWTH bereitgestellt wurden, eine fruchtbare Investition für die Zukunft dar. Für die Investition in einen German RepRap X1000 hat man sich vor allem wegen der Anlagenumsetzung entschieden: „Der X1000 besticht zum einen augenscheinlich durch seinen großen Bauraum und stellt somit ein gewisses Alleinstellungsmerkmal dar. Zudem ist aber gerade der Gesamtaufbau der Maschine, die nach industriellen Maßstäben entwickelt wurde, auch ein Auswahlkriterium gewesen. So verfügt die Fertigungsanlagebeispielsweise über einen Schaltschrank mit freiem Zugang und ein integriertes Löschsystem. Dieser Punkt ist für uns enorm wichtig, um auf Basis einer soliden Anlagentechnik, Anlagenentwicklung durchführen zu können“, erklärt Nicolai Lammert. Für eine Maschine von der German RepRap GmbH hat man sich vor allem wegen der Offenheit der Systeme entschieden. Auch dies sei ein sehr wichtiger Aspekt für das IKV, sagt Nicolai Lammert: „German RepRap vermarktet offene Systeme. Dies ist für uns ein elementarer Punkt, da wir erst dadurch zu seriöser Forschung fähig sind. Ohne eine Änderung von Prozessparametern gibt es aus unserer Sicht keine Prozessforschung und keine Möglichkeit der Prozessentwicklung. Die Erfahrungen mit diesen Systemen können wir sowohl der Industrie als auch den Studenten zugänglich machen. Ebenso können aus unseren Erfahrungen Ideen für Weiterentwicklungen entstehen.“ Es kommen unterschiedliche Materialien für die Forschung zum Einsatz. Amorphe sowie ebenfalls teilkristalline Thermoplaste werden bei den Untersuchungen eingesetzt.

Dies führt zu zahlreichen Entwicklungen, die patentiert und verwertet werden. Bei einerseits starker fachlicher Differenzierung und Spezialisierung praktizieren die Kompetenzzentren der RWTH Aachen andererseits eine sehr effektive fach- und fakultätsübergreifende Zusammenarbeit in interdisziplinären Verbünden. Das neue Technikum zur Additiven Fertigung soll ab sofort Platz für die hochmoderne und innovative Forschungsarbeit im Bereich der Technologie, die auch als 3D-Druck bezeichnet wird, schaffen. Dennoch wird auch die Tradition weiterhin großgeschrieben. „In Aachen verbinden sich altehrwürdige Traditionen mit modernen Technologien. Das liegt nicht zuletzt an Instituten wie dem IKV, das sich seit nun fast 70 Jahren durch moderne und innovative Forschungsarbeit auszeichnet. Das Institut hat eine besondere Bedeutung für unser Land: In Nordrhein-Westfalen spielen Schlüsseltechnologien wie die Kunststofftechnik eine wichtige Rolle. Sie sind nicht nur der kraftvollste Innovationstreiber, sondern auch der mit Abstand stärkste wirtschaftliche Motor. In keiner anderen Region der Welt haben die Werkstoffe ein solches Gewicht für die wirtschaftliche Entwicklung wie bei uns in NRW‟, sagte NRW-Wissenschaftsministerin Svenja Schulze.

Der anlässlich der Eröffnung der neuen Gebäude, symbolisch übergebene Schlüssel wurde auf dem German RepRap X1000 gedruckt und ist mit einer Länge von 100 cm, einer Breite von 40 cm und einem Gewicht von 1400 Gramm das bisher größte Bauteil, welches am IKV konstruiert und mittels additiver Fertigung in einem einzelnen Fertigungsschritt hergestellt worden ist. Als Druckmaterial wurde das Performance PLA von German RepRap verwendet, wobei das Objekt aus über 150 einzelnen Schichten in einer Druckzeit von ca. 90 Stunden gefertigt wurde. Der X1000 bietet mit seinem großen Bauraum von 1000 x 800 x 600 mm (B/H/T) und den zahlreichen Sicherheitsfeatures die idealen Voraussetzungen für zahlreiche industrielle Anwendungsgebiete, wie den (Funktions-) Prototypenbau, Kleinserienfertigung, Formenbau. „Dabei bieten die Materialvielfalt und die Offenheit des Systems, gemäß der RepRap Philosophie, die perfekte Grundlage für unsere Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Materialentwicklung und Prozessstabilität bei FDM/FFF-Verfahren“, fasst Nicolai Lammert noch einmal zusammen.

IKV_Einweihung_Foto IKV-Fröls-059

Übergabe des symbolischen Schlüssels, eigens gefertigt im neuen Technikum für additive Fertigung, an IKV. (v.li.n.re): Dr.-Ing. Herbert Müller, VV IKV-Fördervereinigung, Prof. Dr. rer.pol. Malte Brettel, Prorektor der RWTH Aachen für Wirtschaft und Industrie, Marcel Philipp, Oberbürgermeister der Stadt Aachen, Svenja Schulze MdL, Ministerin für Innovation, Wissenschaft und Forschung NRW, Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Institutsleiter IKV, Jörg Munsch, Niederlassungsleiter BLB NRW Aachen, Gabriele Willems, Geschäftsführerin BLB NRW (Foto: BLB NRW, Bernd Klass)