Additive Fertigung: Hochwertige Bauteile aus altem Pulver

Am Fraunhofer IPA arbeiten Forscherinnen und Forscher daran, den Anteil von Recyclingmaterial in additiven Produktionsverfahren zu erhöhen. Die Qualität der gedruckten Bauteile soll dabei aber unverändert hoch bleiben.

Analyse von Produktlebenszyklen, Recycling von Metallen und Kunststoffen, Reparaturverfahren, Kreislaufwirtschaft, gewichtsoptimierte Bauteile und ein verringerter Einsatz von Gefahrstoffen: Die Luftfahrt möchte nachhaltiger werden und dabei spielt die additive Fertigung eine wichtige Rolle. Denn künftig sollen immer mehr Bauteile aus dem 3D-Drucker kommen.

Ein Bauteil, das bereits additiv hergestellt wird, haben alle Flugreisenden schon oft gesehen und angefasst: die Klappe des Gepäckfachs über dem Sitz. Sie besteht aus Polyetherimid (PEI), einem schwer entflammbaren Kunststoff, der im Brandfall keinen giftigen Rauch verursacht. Künftig sollen die Klappen am Ende ihres Produktlebenszyklus nicht mehr auf dem Müll landen. Stattdessen sollen sie geschreddert und zu Kunststoffdraht beziehungsweise Filament verarbeitet werden. Ein 3D-Drucker soll aus den recycelten Materialien dann neue Bauteile für die Luftfahrt fertigen.

Gepäckfachklappen aus Recyclingmaterial

Das Problem dabei: »Recyceltes PEI hat nicht die gleichen Eigenschaften wie neues«, sagt Markus Echsel vom Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. »Kabinenteile, die daraus gefertigt werden sollen, müssen aber vergleichbar feuerfest sein und Rauchentwicklung ebenso gut verhindern wie Bauteile aus neuem PEI.«

Wie fließfähig ist recyceltes PEI, wenn es im 3D-Drucker aufgeschmolzen wird? Wie oft kann PEI überhaupt verarbeitet werden, bevor es unbrauchbar wird? Mit welchen Parametern muss das wiederverwendete PEI verarbeitet werden?

Diese und weitere Fragen muss das Forschungsteam um Echsel in den kommenden drei Jahren klären. Eine wichtige Rolle spielt dabei ein sogenanntes Degradationsmodell, das die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln wollen. Es soll zeigen, wie sich die Eigenschaften eines Materials ändern, wenn es altert. Daraus lässt sich dann ungefähr ableiten, wie die Einstellungen am 3D-Drucker verändert werden müssen, damit er aus Recyclingmaterial Bauteile fertigt, die jenen aus neuem PEI in nichts nachstehen. »Wenn das erst einmal bekannt ist, können in Zukunft bereits genutzte Bauteile aus hochwertigen Kunststoffen ein zweites oder drittes Leben bekommen«, sagt Echsel.

Ein sprudelnder Mikroplastik-Quell

Neben den Klappen werden noch weitere Flugzeugteile aus Kunststoff mit 3D-Druckern hergestellt. Ein Verfahren, das dabei oft zum Einsatz kommt, ist das sogenannte selektive Lasersintern. Dabei werden Pulver aus den Kunststoffen Polyamid 12 (PA12) oder Polyetherketonketon (PEKK) flächig aufgebracht, erhitzt und dann punktuell mit einem Laserstrahl geschmolzen – ein Vorgang, der sich Schicht für Schicht wiederholt. Am Ende entnimmt man das additiv gefertigte Bauteil aus einem Behälter, der ansonsten bis oben hin mit Pulver gefüllt ist. Ein Großteil des verwendeten Pulvers landet also gar nicht im gefertigten Bauteil.

Zwar ist es üblich, dass das überschüssige Pulver später erneut verwendet wird. »Allerdings werden beim selektiven Lasersintern bisher nur etwa 60 bis 70 Prozent gebrauchtes Pulver verwendet. Der Rest muss neu sein, wenn man keine Abstriche bei der Qualität machen möchte«, sagt Patrick Springer vom Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA. »Immerhin ist ja auch das Pulver, das nicht verdruckt wurde, durch den Verarbeitungsprozess geschädigt worden und dadurch ändern sich dessen physikalische und chemische Eigenschaften.« Ein beträchtlicher Teil des bereits verwendeten Pulvers wird also entsorgt – ein beständig sprudelnder Mikroplastik-Quell.

Genau dort will das Forschungsteam um Springer nun ansetzen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten klären, wie sich die Eigenschaften von Polyamid oder PEKK verändern, wenn es einen oder mehrere Druckprozesse hinter sich hat. Denn wenn das bekannt ist, kann man Qualitätsaussagen des gebrauchten Pulvers erfassen und dieses vor der Verarbeitung gezielt aufbereiten »So kann eine größere Menge Pulver länger im Prozess gehalten werden und es muss am Ende vielleicht nur noch zehn oder 20 Prozent neues Pulver beigemischt werden«, so Springer.

Über das Forschungsprojekt »TIRIKA«

Was Echsel und Springer vom Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA erforschen, ist Teil eines großangelegten Forschungsprojekts namens »Technologien und Reparaturverfahren für nachhaltige Luftfahrt in Kreislaufwirtschaft« (TIRIKA). Dabei betrachten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrerer Forschungseinrichtungen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie ganz verschiedene Aspekte der Luftfahrt und gestalten sie nachhaltiger, energieeffizienter sowie kostengünstiger.

Projekt-Steckbrief:

Name:
Technologien und Reparaturverfahren für nachhaltige Luftfahrt in Kreislaufwirtschaft (TIRIKA)

Partner:
Airbus Operations GmbH, Hamburg
Airbus Defence and Space GmbH, Manching
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Köln
Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH, Lindenberg im Allgäu
EOS GmbH Electro Optical Systems, Krailling
Materialise GmbH, Gilching
Novelis Koblenz GmbH (zuvor firmierend als Aleris Rolled Products Germany GmbH), Koblenz
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen
Faserinstitut Bremen e.V., Bremen
Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT, Bremen
Hans Weber Maschinenfabrik GmbH, Kronach

Laufzeit:
01.01.2022 bis zum 31.03.2025

Fördermittelgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Pressekommunikation: Hannes Weik | Telefon +49 711 970-1664 | hannes.weik@ipa.fraunhofer.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Patrick Springer
Telefon: +49 711 970-1996 | patrick.springer@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA | www.ipa.fraunhofer.de

Markus Echsel
Telefon: +49 711 970-1970 | markus.echsel@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA | www.ipa.fraunhofer.de

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