Das IKV untersucht im Bereich Additive Fertigung neuartige Slicing-, Prozess- und Systemstrategien. Im Fokus stehen nicht-planare Slicing-Methoden für lastpfadoptimierte Bauteile, adaptive Prozessketten für spritzgießanaloge, lokal gradierte Faserarchitekturen sowie austragsstabilisierende Pressure-Advance-Algorithmen für großvolumige SEAM-Anlagen. Beim 33. Internationalen Kolloquium Kunststofftechnik werden die Ergebnisse vorgestellt.
Neue Fertigungsstrategien für den 3D‑Druck technischer Bauteile
Aachen, im Dezember 2025 – Der 3D-Druck technischer Bauteile bewegt sich von der Prototypenfertigung in die Endanwendung, wenn Software, Prozessführung und Anlagentechnik konsequent zusammengeführt werden. Insbesondere für das Screw-Extrusion-Additive-Manufacturing (SEAM) bedeutet dies, dass die Bahnplanung weit über die „Abarbeitung“ der Geometrie hinausgehen und auch Materialfluss, Temperaturhistorie und resultierende Bauteileigenschaften steuern muss. Statt in planaren Schichten muss die Strangablage in dreidimensionalen, last- und prozessgerechten Bahnen erfolgen und zugleich die Oberflächenqualität, die Zwischenschichtfestigkeit und die Ressourceneffizienz optimieren.
Parallel dazu müssen die SEAM-spezifischen Randbedingungen – kontinuierlicher Massendurchsatz, eingeschränkte Retraction und träge Schmelzepuffer – sowohl in der Bahnplanung als auch in der Maschinenführung berücksichtigt werden. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus prozessgerechten Pfaden, die den Stütz- und Infillbedarf senken und durch einen stabilen Materialfluss die Streuung reduzieren. Ist beides erfüllt, übersetzt sich die additiv erzeugte Morphologie in funktionale Bauteileigenschaften.
Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen untersucht im Bereich Additive Fertigung neuartige Slicing-, Prozess- und Systemstrategien. Im Fokus stehen nicht-planare Slicing-Methoden für lastpfadoptimierte Bauteile, adaptive Prozessketten für spritzgießanaloge, lokal gradierte Faserarchitekturen sowie austragsstabilisierende Pressure-Advance-Algorithmen für großvolumige SEAM-Anlagen. Dabei geht es insbesondere darum zu zeigen, wie sich funktionsgerechte Pfadplanung automatisch aus Simulations- und Messdaten ableiten lässt und wie eine robuste Übertragbarkeit zwischen Materialien und Anlagen erreichen werden kann.
Ferner wird untersucht, wie eine Qualitätssicherung in Echtzeit erreicht werden kann und wie sich die Informationen in digitale Entwicklungs- und Produktionssysteme integrieren lassen. Beim 33. Internationalen Kolloquium Kunststofftechnik werden die Ergebnisse in Session 15, Neue Fertigungsstrategien für den 3D-Druck technischer Bauteile, vorgestellt. Der Ansatz zielt auf eine konsistente Prozessarchitektur ab, in der CAD/CAE-gekoppelte Pfadplanung und SEAM-adaptierte Strategien eine durchgängige Linie vom Entwurf bis zur Serie bilden. So kann SEAM durch ein geeignetes Slicing zu einer belastbaren Fertigungstechnologie für anspruchsvolle technische Bauteile werden.
Fortgeschrittenes Slicing für skalierbare Materialextrusion
Beim fortgeschrittenen Slicing werden die Beschränkungen planarer Schichten aufgehoben, indem die Bahnplanung der Strangablage dreidimensional an die Bauteilgeometrie, die Oberflächenkonturen und die erwarteten Lastpfade angepasst werden (Abbildung 1). Nicht-planare Pfade verringern Treppeneffekte, ermöglichen variable Schichthöhen nahe der Kontur und nutzen die anisotropen mechanischen Bauteileigenschaften gezielt, anstatt gegen sie zu arbeiten. Für SEAM bedeutet das vor allem, dass Strategien auf einen kontinuierlichen Materialfluss ausgelegt sein müssen. Kontinuierliche Perimeter reduzieren Start-/Stop-Übergänge. Ein flussgeführter Geschwindigkeitsmodus koppelt die Pfadgeschwindigkeit an die Extrusionsfähigkeit. Geneigtes Slicing erschließt Überhänge und geschlossene Deckflächen und spart Stütz- und Infillstrukturen ein. Entscheidend ist dabei die Kombination von Geometrie- und Prozesswissen. Wo verläuft der Hauptlastpfad? Welche Bahnorientierung unterstützt die lokale Steifigkeit? Welche thermische Historie erlaubt eine ausreichende Verschweißung zwischen den Lagen bei einer vertretbaren Bauzeit? Gleichzeitig kommt es auf die Schnittstellen zur Simulation an, um beispielsweise Lastfälle oder Faserorientierungen (bei fasergefüllten Werkstoffen) als Zielgrößen in die Pfadgenerierung einzubeziehen. Das Slicing wird damit zum integralen Bestandteil der Produkt- und Prozessauslegung in der Materialextrusion.
© IKVAdaptive Produktion lokal gradierter Faserarchitekturen
Lokal gradierte Faserarchitekturen ermöglichen eine gezielte Variation von Steifigkeit, Festigkeit und Lastübertragung innerhalb eines Bauteils, das Entschärfen von Übergängen und die Vermeidung versagenskritischer Diskontinuitäten (Abbildung 2). Spritzgießverfahren stoßen bei der Umsetzung solcher Faserarchitekturen schnell an ihre Grenzen. Es prägt sich zwar eine charakteristische Faserarchitektur aus, der Faservolumengehalt bleibt jedoch über das Bauteil hinweg weitgehend konstant, sodass definierte Gradierungen nur mit großem Aufwand erreichbar sind. Die additive Fertigung bietet dagegen die Möglichkeit, die Faserarchitektur lokal zu variieren.
Ein intrinsischer Ansatz zur Herstellung gradierter Bauteile führt beide Verfahren zusammen. Zunächst werden additiv hergestellte Probekörper so gefertigt, dass ihre Faserarchitektur einer spritzgießanalogen Struktur möglichst nahekommt. Anschließend werden sie oberhalb des Schmelzpunkts in externen, variothermen Formen konsolidiert, um Poren zu eliminieren und eine Morphologie mit spritzgießähnlicher Kristallinität und pvT-Historie abzubilden.
Bereits in der additiven Phase werden vier Kriterien berücksichtigt: Material (Fasertyp und Matrixsystem), Faserorientierung, Faservolumengehalt und Faserlänge. Der Fasertyp und das Matrixsystem geben die verarbeitungs- und eigenschaftsrelevanten Randbedingungen für die zu realisierende Faserarchitektur vor. Der lokal einstellbare Faservolumengehalt wird über die Kombination zweier Schmelzeströme bzw. den Einsatz eines Doppelschneckenextruders variiert und positionsgenau durch Synchronisation mit der Verfahrbewegung des Roboters in das Bauteil eingebracht. Die Faserorientierung wird spritzgieß-analog mittels geeigneter Slicing-Strategien und nicht-planarer Bahnplanung schichtweise nachgebildet, um eine zielgerichtete Ausrichtung entlang der vorgesehenen Lastpfade zu erreichen. Die Einstellung der Faserlänge wird durch eine entsprechend ausgelegte Extruder- und Prozessführung begünstigt, sodass mechanisch wirksame Längenverteilungen mit minimaler Faserschädigung erzielt werden können.
© IKVEine angepasste Slicing-Technik übersetzt simulierte Faserarchitekturen in reale Werkzeugbahnen: Gekrümmte Schichten folgen der Kontur, innere und äußere Lagen erhalten unterschiedliche Pfadlogiken, und die Trägheit des Mischsystems wird in der Dosierung berücksichtigt, damit der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle ankommt. In der variothermen Transformation werden Druck, Temperatur und Kühlraten so geführt, dass Porosität minimiert und Verschweißung zwischen den Lagen maximiert werden. Die anschließende Charakterisierung erfolgt im Hinblick auf Material, Geometrie, Morphologie und Prozess und umfasst die Faserorientierung, Faserlängenverteilung, Faservolumenanteil und Porosität sowie – bei teilkristallinen Systemen – Grad und Verteilung der Kristallinität.
Prozessstabilität im großvolumigen SEAM durch dynamische Kompensation
Bei der großvolumigen Schneckenextrusion ist die Prozessstabilität ein zentrales Qualitätsmerkmal. Durch die großen Schmelzepuffer und das viskoelastische Materialverhalten der Polymerschmelze reagiert der Volumenstrom träge auf Geschwindigkeitswechsel. Dies kann zu Unter- und Überextrusion, Geometrieabweichungen und Oberflächenartefakten führen.
Eine praxistaugliche Lösung besteht in einer softwareseitigen Kompensation auf G-Code-Ebene: Bewegungsabschnitte werden vorverarbeitet, Übergänge an Beschleunigungs-/Verzögerungsphasen werden mit zusätzlichen Segmenten geglättet und Eckbereiche werden hinsichtlich des Materialauftrags entschärft. Grundlage hierfür ist eine empirische Charakterisierung der systemtypischen Verzögerung. Diese geht als Parameter in die Post-Processing-Logik ein und ermöglicht so eine Antizipation der Extrusionsdynamik. Dieser Ansatz ist attraktiv, da er ohne tiefgreifende Eingriffe in die Hardware oder Firmware auskommt und auf bestehende Anlagen übertragbar ist.
Leichtbau und Faserverbundwerkstoffe beim 33. Internationalen Kolloquium Kunststofftechnik
Mit dem Thema Leichtbau und Faserverbundwerkstoffe befassen sich beim Kolloquium
- Session 3: Kunststoffe als Schlüssel zur Skalierung der Wasserstoffwirtschaft)
- Session 6: Werkstoffliches Recycling von CFK: Vitrimere als Wegbereiter
- Session 10: Künstliche Intelligenz in Produktentwicklung und Simulation
- Session 15: Neue Fertigungsstrategien für den 3D-Druck technischer Bauteile
Bei „IKV 360° – Forschung live“ machen die wissenschaftlichen Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen die Themen an verschiedenen Stationen im IKV-Technikum erlebbar.