Technologien und Ausstattung

Am Fraunhofer IPA stehen sowohl kommerzielle als auch eigenentwickelte Anlagen und Versuchsstände zur Verfügung, um additive Fertigungsprozesse weiterzuentwickeln und Bauteile herzustellen. Als Ausgangsmaterialien können photoreaktive und thermoplastische Materialien verwendet werden.

Durch die Verfügbarkeit aktueller, marktverfügbarer Anlagentechnik können wir den aktuellen Stand der additiven Produktionstechnologie in unseren Laboren abbilden. Parallel dazu sind durch eigenentwickelte Anlagentechnik alle Freiheitsgrade gegeben, um Prozesse anzupassen, neue Materialien zu evaluieren und spezifische Lösungen zu entwickeln. Finden Sie etwas nicht, sprechen Sie uns gerne an!

Materialjetting und funktionaler Inkjet Druck (MJ)

Die Piezo-Inkjet Technologie ist eine hocheffiziente Technologie zum selektiven Auftrag von Flüssigkeit in Form kleinster Tröpfen im Bereich von 5 - 200 pl. Sie ist einerseits die Verfahrensgrundlage für diverse additive Verfahren und gleichzeitig kann die Technologie für vielfältige Aufgaben in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt werden.

Zur Entwicklung von Prozesse basierend auf der  Piezo-Inkjet-Technologie stehen am Fraunhofer IPA folgende Versuchsstände und Analysegeräte zur Verfügung:

• Eigenbau Piezo-Inkjet-Versuchsstand mit Möglichkeit zum Drop-Watching sowie zum Druck von 2D und 3D Strukturen mit modular wechselbaren Druckköpfen von diversen Herstellern wie z.B. Konika Minolta, Fuji Dimatix
• Drop-Watching Versuchsstand (Fa. Krüss) mit variabler Medienversorgung zur Analyse und Optimierung von Druckprozessen mit diversen Druckköpfen (Steuerungstechnik basierend auf System von Global-Inkjet-Systems) für z.B. Seico, Quantica NovaJet
• Desktop Drucker „DMP 2800“ mit heizbarer Substratplatte und Möglichkeit zum Drop-Watching. Einweg-Druckköpfe ermöglichen Voruntersuchungen mit kleinsten Materialmengen
• Versuchsstand mit vier modularen Druckwerken und diversen Möglichkeiten zur Integration von peripheren Prozessen (z.B. UV, NIR)
• 3D-Drucker nach dem Prinzip des Material-Jettings von Fa. Stratasys, Typ „Objet 260 Connex1“, Verarbeitung von bis zu vier Materialien möglich
• Eigenbau Technikumsanlage „NextFactory“: Inline-Kombination 3D Inkjetdruck (bis zu drei Materialien) mit Dispens- und Montageprozessen, Härtungsmechanismen (UV, IR, NIR) und 3D Vermessung

Stereolithographie (SLA)

Sowohl die Stereolithographie (SLA) als auch das sogenannte Digital Light Processing (DLP ®) basieren auf dem Prinzip einer selektiven Belichtung eines UV-sensitiven Harzmaterials. Schichtweise wird ein entsprechende Harzmaterial aufgetragen und anschließen selektiv belichtet. Im Fall von SLA mittels eines UV-Lasers und im Fall von DLP ® mittels einer flächigen Projektion. Alternativ kann die hell-dunkel-Projektion auch über ein LC-Display erfolgen. Auf diese Wiese können Bauteile mit höchster Auflösung und einer guten Oberflächenqualität hergestellt werden. Nachdem in jüngster Vergangenheit immer bessere Materialien für diese Verfahrensklasse verfügbar werden, reicht das Anwendungsfeld von Medizinprodukten bis hin zu Grünkörpern aus Keramik oder Metall.

Zur Weiterentwicklung und zur Materialspezifischen Anpassung des Prozesses stehen am Fraunhofer IPA folgende Anlagen zur Verfügung:

• DLP-Drucker von Fa. RapidShape, Typ HA60 mit modifiziertem Harzbad, so dass eine Temperierung des Baumaterials möglich ist (Bauraum: 110 x 62 x 90 mm; Schichthöhe: 100 µm; Pixelgröße(xy): 59 µm ; Wellenlänge: l = 395 nm).
• Eigengebauter Versuchsstand mit DLP-Projektor, wechselbarer UV-Lichtquelle, wechselbaren Bauräumen und diversen Methoden zur Erzeugung der Materialschicht. Frei parametrierbare Prozessabläufe
• LC-basierte Drucker Typ AnyCubic Photon Mono 4k ist (Bauraum: 165 x 132 x 80 mm; Schichthöhe: 10-150 µm; Pixelgröße(xy): 35 µm ; Wellenlänge: l = 405 nm).

Lasersintern (LS)

Das Lasersintern von Kunststoffen (auch selektives Lasersintern genannt) – kurz SLS, stellt ein weit verbreitetes additives Fertigungsverfahren dar. Grundsätzlich werden Schichten aus losem Pulver erzeugt, die Oberfläche vorgewärmt und anschließend mittels eines Lasers ortsselektiv, bahnweise geschmolzen.

Zur Weiterentwicklung dieser Technologie stehen am Fraunhofer IPA die folgenden Geräte zur Verfügung:

• FORMIGA P100, EOS GmbH Electro Optical Systems (Bauraum: 200 x 250 x 330 mm; Materialien: PA11, PA12)
• EOS P396, EOS GmbH Electro Optical Systems (Bauraum: 340 x 340 x 600 mm; Materialien: PA11, PA12, TPU)
• Sintratec S1, Sintratec AG (Bauraum 110 x 110 x 110 mm: Materialien: PA12)

Filamentbasierte Extrusionsverfahren (FLM)

Filamentbasierte Extrusionsverfahren, auch Fused Layer Modelling (FLM), Fused Filament Fabrication (FFF) oder Fused Deposition Modelling (FDM®) genannt, bieten die Möglichkeit, eine große Materialauswahl an thermoplastischen Kunststoffen zu verarbeiten. Hierbei werden filamentförmige Kunststoffstränge durch eine erhitzte Düse gepresst und bahnweise auf ein Substrat aufgebracht. 

Zur Weiterentwicklung dieser Technologie stehen am Fraunhofer IPA die folgenden Geräte zur Verfügung:

• FUNMAT PRO 610 HT, INTAMSYS Technology Co. Ltd (Bauraum: 610 x 508 x 508 mm ; max. Extrudertemperatur: 500 °C ; Bauraumheizung: 300 °C)
• INDUSTRY F340, 3DGence Sp. z o. o. (Bauraum: 610 x 508 x 508 mm ; max. Extrudertemperatur: 500 °C ; Bauraumheizung: 300 °C)
• Mark Two, Markforged Inc. (Bauraum: 320 x 132 x 154 mm ; max. Extrudertemperatur: 500 °C; Verarbeitung von GFK oder CFK Endlosfasen
• uPrint SE, Stratasys Inc. (Bauraum: 203 x 152 x 152 mm; Bauraumheizung: 300°C ; max. Extrudertemperatur: 240 °C)
• X400 (2x), German RepRap GmbH & Co KG (heute: innovatiQ GmbH & Co KG) (Bauraum: 350 x 400 x 310mm)
• Replicator 2X, Makerbot Inc. (Bauraum: 250 x 160 x 150 mm)
• Eigenbau 2K FLM Drucker (Bauraum: 250 x 160 x 150 mm; Extrudertemperatur: 450 °C)

Auf den diversen Druckern können je nach Typ thermoplastische Filament wie: ABS, PLA, PC,HIPS, TPU, Ultem, PEEK, … verarbeitet werden. Kommen Sie gerne auf uns zu, wenn Sie einen anwendungsspezifischen Materialwunsch haben.  

Arburg Kunststoff Freiformen (AKF)

Das ARBURG Kunststoff Freiformen bietet die Möglichkeit granulatförmige, thermoplastische Ausgangsmaterialien in einem additiven Fertigungsprozess zu verarbeiten und Bauteile aufzubauen. Hierbei ist es möglich unterschiedliche Kunststoffe mit spezifischen Eigenschaften zu verarbeiten. Diese werden in einer Plastifiziereinheit aufgeschmolzen, unter Druck gesetzt und durch eine dynamisch aktuierbare Düse auf ein Substrat aufgetragen.

Zur Weiterentwicklung dieser Technologie stehen am Fraunhofer IPA die folgenden Geräte zur Verfügung:

• freeformer 200-3X, ARBURG GmbH & Co. KG

High Speed Sintering (HSS, SAF) 

Anlagentechnik nach dem Vrfahrensprinzip des „High Speed Sinterings“ ist mittlerweile von drei unterschiedlichen Herstellern verfügbar – HP („Multijet Fusion“ – kurz MJF), Voxeljet und Stratasys („Selective Absorption Fusion“ – kurz SAF). Da bei wird die effifziente Inkjet-Technologie zum selektiven Auftrag eines Absorbers auf ein Pulverbett, bestehend aus thermoplastischem Material genutzt. Eine anschließende, vollflächige Bestrahlung des Pulverbetts mit einer hochenergetischen Lichtquelle (IR / NIR) führt zum lokalen Aufschmelzen des Kunststoffpulvers, dort wo der Absorber aufgetragen wurde. Somit können  ähnlichen Bauteileigenschaften wie bei Selektiven Lasersintern erzeugt werden.

Am Fraunhofer IPA steht zur Erforschung und Weiterentwicklung der Technologie folgende Anlage zur Verfügung:

• Typ H350 von Fa. Stratasys zur Verfügung (Bauraum: 315 x 208 x 293 mm)

Zur Herstellung eines additiv gefertigten Bauteils ist nicht nur das additive Fertigungsverfahren selbst notwendig, sondern auch noch vorbereitende (pre-processing) und nachbereitende (post-processing) Schritte. Hierbei sind je nach Verfahrensklassen unterschiedliche Prozessschritte notwendig für die am Fraunhofer IPA Anlagentechnik und Tools zur Verfügung stehen. Auf dieser Basis können sowohl Prozessketten entsprechend dem aktuellen Stand der Technik abgebildet werden, als auch neue, anwendungs- und bauteilspezifische pre- und postprocessing Schritte entwickelt werden.

Photopolymer Jetting und Stereolithographie bzw. DLP Verfahren

Die folgende Software/Anlagentechnik steht für das Pre- und Post-Processing zur Herstellung von Bauteilen aus photoreaktiven Materialien zur Verfügung:

• Slicing: Autodesk NetFabb, FormWare 3D, ObjetStudio, diverse freeware und open-source Tools
• Reinigungsgerät für Inkjet Druckköpfe: Printhead Doktor
• Polymerisationsgerät zur Nachvernetzung: Otoflash G171
• Öfen zur Nachvernetzung: Memmert UF55plus

Extrusionsbasierte Verfahren

Die folgende Software und Anlagentechnik steht für das Pre- und Post-Processing für extrusionsbasierte additive Fertigungsverfahren zur Verfügung:

• Slicing: Materialse Magics (für AKF), Simplify3D, Cura, GrabCAD, diverse freeware und open-source Software
• Öfen zur Materialtrocknung: Memmert UF55plus, Inline Trockner (Integriert in freeformer)
• Reinigungsbad zum Entfernen von Stützstrukturen: Clean Station UW 20

Pulverbett-basierte Verfahren

Die folgende Software/Anlagentechnik steht für das Pre- und Post-Processing für pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren zur Verfügung:

• Slicing/Nesting: Stratasys GrabCAD, Autodesk NetFabb
• Pulveraufbereitung: Siebdeck (Eigenbau)
• Mischen: Taumelmischer (Firma: Fuchs; MIXOMAT A)
• Entpacken: Entpackstation (Eigenbau)
• Strahlen: iepco Strahlkabine
• Automatisierte Pulverförderung- und Mischung: Eigenentwickelte Inline Förder- und Mischeinheit (PuryFill)
• Stickstoffgenerator: INMATEC GaseTechnologie GmbH & Co. KG

Zur Analyse von Ausgangsmaterialien und Bauteilen steht in den Laboren der Abteilung additive Fertigung umfangreiches Equipment zur Verfügung. Dies bildet eine wesentliche Grundlage für unsere Forschung und kann bei Bedarf erweitert werden durch das Equipment benachbarter Abteilungen (wie z.B. CT, REM, Partikelanalytik, DSC, FTIR, U-VIS Spectroskopie,..). Einen Auszug aus unserem Analyse-Equipment ist nachfolgend aufgeführt. Sind Sie an einer Zusammenarbeit interessiert oder auf der Suche nach einer Analytik Methode, die nicht genannt ist? Nehmen Sie gern mit uns Kontakt auf, um passende Möglichkeiten zu besprechen.

Rheologische Materialcharakterisierung 

Rheometer (Anton Paar - MCR 302 incl. UV und Hochtemperatur Modul):

• Charakterisierung der Fließverhalten und viskoelastischen Eigenschaften von Materialsystemen (z.B. Tinten, Thermoplastischen Schmelzen);
• Temperaturbereich: -160 bis 600 °C;
• max. Scherrrate: 50.000 1/s;
• Kegel-Platte und Platte-Platte Messungen+
• Frequenzbereich > 100 Hz

Hochfrequenz Rheometer (TirJet Limited –TriPav)

• Messung der viskoelastische Eigenschaften von z.B. Inkjet Tinten unter Bedingungen, die denen im Druckkopfs während des Tropfenausstoßes ähnlich sind.
• Materialsysteme: Hochviskoelastische Lacke, Tinten und Polymerlösungen; Flüchtige Lösungsmittel und Tinten
• Frequenzbereich 1 Hz – 10 000 Hz
• Temperaturbereich: 5° - 80°C 
• Einsatzfelder:
  • Tintenformulierung: Anpassung Tintenzusammensetzung
  • Qualitätskontrolle: Scheinbar identischen Druckfarben unterscheiden, die jedoch ein unterschiedliches Ausstoßverhalten aufweisen
  • Jetting-Optimierung: Ermittlung der optimale Ausstoßtemperatur und Druckfrequenz 

Feuchtigskeitsanalyse

Restfeuchtebestimmung von Werkstoffen (Brabender AQUATRAC Station)

• Materialien: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
• Messungen: Oberflächen- und Kernfeuchtemessung
• Messtemperaturen: 30 °C – 160 °C in 1 °C Schritten
• Absolute Genauigkeit: 0.01 mg H2O
• Messprinzip / Testmethoden: Taupunktmessung / Präzise Feuchtemessung, Temperaturscan

Nassschleif und Poliergerät 

Nassschleif und Poliergerät (Struers Schleif- und Poliermaschine LaboPol-20 mit Probenbeweger LaboForce-50)

• Einbetten Probenköpern
• Schleifen und Polieren von (eingebetteten) Probenkörpern 

Universalprüfmaschine

ZwickRoell Universalprüfmaschine 10 kN

• Zugversuche an Kunststoffen nach ISO 527-1, -2 und ASTM D638
• Keilschraub-Probenhalter 10 kN
• Kraftaufnehmer, Nennkraft 1 kN
• Kraftaufnehmer, Nennkraft 5 kN
• Pneumatik-Probenhalter: Sicheres Spannen unterschiedlichster, auch klemmempfindlicher Materialien bei stufenlos einstellbarer Klemmkraft

Mikroskope

3D-Digital Lichtmikroskop (Leica – DMV6)

• Zoombereich: 20-2000fach (Wechselobjetkive)
• Hellfeldmessung und Dunkelfeldmessung
• Bis zu 90° Verkippung des Objektivs
• Motorisierte Höhenverstellung und XY Tisch 
• Auswertung 2D:
  • Winkelmessung; Bogen und Kreismessung; Flächen; Abstand; Korngrößen nach ISO 643
• Auswertung 3D:
  • Höhenmessungen; Rauhigkeitsmessung und Ebenheitsmessung

Klimakammer

Temperaturschock-Prüfschrank (Voetsch - VT 7012 S2)

• Zwei Zonen Temperaturprüfung:
  • Temperaturkonditionierung der heißen Zone: von +50°C bis 220°C
  • Temperaturkonditionierung der kalten Zone: von -80°C bis +70°C.

Div. Öfen : Memmert UF55plus und Konstantklima-Kammer HPP 110 für Dauertemperarturbelastungstests 

UV Vernetzung 

Spektralradiometer (Opsystec Dr. Gröbel -  UVPAD E)

• Zeitlich- und spektralaufgelöste Verteilung der Bestrahlungsstärke
• Charakterisierung von Strahlungsquellen
• Ermittlung reproduzierbarer Vernetzungsparameter 
• Ermittlung der Strahlungsdosis
• Wellenlängenbereich 240 - 480 nm

Die Charakterisierung des Vernetzungsprozesses kann des weiteren in ihrem zeitlichem Verlauf mittels  Rheometer erfolgen (siehe rheologische Materialcharakterisierung - UV Zusatzmodul)

Tropfenbeobachtung und Analyse

Topfenbeobachtung für Inkjet- und Dispensprozesse

• Charakterisierung der Tropfenbildung (Volumen, Geschwindigkeit, Form), des Tropfenflugverhaltens und Langzeitstabilität.
• Ermittlung geeigneter Prozessparameter
• Equipment:
  • Krüss – DSA Inkjet
  • Tropfenbeobachtung Druckversuchstand (Eigenbau)
  • Div. Druckkopftypen (Fuji Dimatix, Seiko, Quantica, Konika Minolta)
  • Jet-Dispenser (Nordson, Vermes)

Oberflächenspannung

Ermittlung der statischen und dynamischen Oberflächenspannung von Fluiden

• Krüss – MSA Flexible Liquid (Statisch)
• Sita – DynoTester + (Dynamisch)

Pulveranalytik

Kombi-Analysegerät zur vollautomatischen, makroskopischen Pulvercharakterisierung (3P INSTRUMENTS - PowderPro A1)

• Schütt- und Kollabierungswinkel
• Flat-Plate-Winkel
• Stampf- und Schüttdichte
• Dispersibilität
• Uniformität und Kohäsion

Sowie diverses Equipment zur Bestimmung von:

• TGA und Schmelzviskosität
• Korngrößenverteilung
• (Rest-)Feuchtigkeit