Die Additive Fertigung mit Filament Layer Manufacturing (FLM) bietet die Möglichkeit zur Funktionalisierung durch die Einbringung von endlosfaserverstärkten Strukturen in die Bauteile und damit der werkzeuglosen Herstellung von faserverstärkten Composite-Bauteilen. Dieses enorme Potenzial konnte bereits in prinzipiellen Machbarkeitsstudien gezeigt werden. Jedoch stellt der hohe Entwicklungsbedarf an Druckmaterial, Druckkopf, Prozessreife, -stabilität, Auslegungsvorschriften und Designhinweisen eine hohe Hürde für eine stärkere Markdurchdringung und -akzeptanz dar. Diese Hürde zu überwinden und damit ein breiteres Anwendungsfeld für die endlosfaserverstärkte additive Fertigung zu eröffnen, ist das Kernziel im ZIM-Verbundprojekt 3x3D-Druck.

Im Kooperationsprojekt wird gemeinsam mit der Firma OptoPrecision GmbH ein Anlagensystem entwickelt, welches drei verschiedene Materialsysteme verarbeitet: unverstärkte und endlosfaserverstärkte Filamente sowie CF-Tapes. Hierfür erfolgt die Material- und Prozessentwicklung in enger Abstimmung. Für das thermische Erwärmungsverhalten der Werkstoffe wird ein Simulationsmodell aufgebaut und in die Prozesssimulation der additiven Fertigung überführt. Die Simulation dient zur effizienten Findung geeigneter Prozessparameter für unterschiedliche Legeraten. Zur Validierung ist der Druckkopf-Prototyp mit einer entsprechenden Temperaturüberwachung ausgestattet.

Die Erwärmung des abzulegenden Materials wird mit einem Diodenlaser durchgeführt. Der Einsatz eines Lasers gestattet eine sehr schnelle Temperaturregelung und kann somit auch für sehr unterschiedliche Legegeschwindigkeiten erfolgen. Dabei ist die Erwärmung der Legezone maßgeblich für die Güte des Verbundwerkstoffes entscheidend. Die Modellierung und Simulation dieses Prozesses wird in der Software „COMSOL Multiphysics“ umgesetzt und über die Validierung der berechneten mit den gemessenen Temperaturen im Projektfortschritt iterativ verbessert.