Atmosphärendruckplasmen verbessern Stabilität bei 3D-Druck-Bauteilen

Fraunhofer IST integriert Plasmaquelle in 3D-Drucker

Forschung
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Additive Manufacturing
Oberflächenbeschichtung
Adhäsion ist in der additiven Fertigung für die Bauteilstabilität von zentraler Bedeutung. Im lagenweisen 3D-Druck wie dem Fused Deposition Modeling (FDM) stellt sich jedoch häufig das Problem, dass die mechanische Festigkeit des gedruckten Bauteils in Z-Richtung nicht den Festigkeiten der Ausgangsmaterialien entspricht. Daher ist es erforderlich, die Haftung zwischen den einzelnen Lagen zu verbessern.

Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST erreichen dies durch eine gezielte chemische Modifikation der Oberfläche mithilfe von Atmosphärendruckplasmen.

Bisher werden Plasmaquellen nur seriell, d. h. getrennt vom Druckprozess eingesetzt. Am Fraunhofer IST werden nun Mikroplasmaquellen entwickelt, die direkt in additive Fertigungsanlagen integriert werden können. Dadurch wird dem Problem begegnet, dass die einzelnen Lagen nach Abschluss des Fertigungsvorganges nicht mehr zugänglich sind. Indem die Plasmaquellen in den 3D-Drucker integriert werden, ist nun eine Behandlung der einzelnen inneren Lagen während des Druckprozesses möglich. Dadurch kann die Adhäsion zwischen Polymeren als auch hybriden Materialien gezielt chemisch modifiziert werden.

Die Funktionalität von Oberflächen hängt maßgeblich von der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche ab. Mit dem Einsatz einer lagenweisen Plasmabehandlung bereits während des Herstellungsprozesses werden zum einen Haftkräfte zwischen den einzelnen Lagen des Bauteils gesteigert und zum anderen gleichzeitig eine Modifikation der Oberfläche in vorher nicht vorbehandelbaren Kavitäten ermöglicht. Das Ergebnis ist eine deutlich verbesserte mechanische und chemische Stabilität der Endprodukte.

Der Prototyp des Fraunhofer IST enthält aktuell eine miniaturisierte Punktquelle, mit der die gedruckten Oberflächen und Filamente hochaufgelöst modifiziert werden können. Langfristig ist geplant, eine Ringquelle zu verwenden, die um die Düse des 3D-Druckers montiert wird und dadurch eine direkte Behandlung während des Druckprozesses und ohne zeitlichen Mehraufwand erlaubt. 

Einsatzmöglichkeiten für Atmosphärendruck-Plasmaverfahren sind neben der Medizintechnik die Elektronikindustrie, der Automobilbereich und die Luft- und Raumfahrt. Die am Fraunhofer IST entwickelten Plasmaquellen und Beschichtungssysteme decken eine große Bandbreite von Schichtfunktionen ab und können dadurch zielgerichtet für Reinigung, Funktionalisierung oder Beschichtung unterschiedlicher Materialien eingesetzt und in bestehende Prozessketten integriert werden.

Mehr Informationen:

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST 
www.ist.fraunhofer.de

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