Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation
Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation

High Speed Sintering (HSS)

Das innovative additive Fertigungsverfahren „High Speed Sintering (HSS)“ ermöglicht die industrielle Fertigung von Bauteilen aus Kunststoff mit hochkomplexen Geometrien bei gleichzeitig hoher Qualität und Wirtschaftlichkeit. Neben der hohen Reproduzierbarkeit und der Nutzung verschiedener Kunststoffe bildet besonders die Skalierbarkeit des HSS-Prozesses enorme Potentiale für die industrielle Anwendung.

Der schichtweise Bauteilaufbau des HSS erfolgt dabei wie folgt: Zuerst trägt ein Recoater eine Schicht Polymerpulver auf die Bauplattform (Pulverauftrag). Auf diese wird mittels eines Druckkopfs eine infrarotabsorbierende Tinte selektiv an den Stellen appliziert, die verschmolzen werden sollen (Tintenauftrag). Anschließend fährt ein Infrarot-Strahler flächig über die Pulverbettoberfläche (selektiver Energieeintrag). Die Tinte absorbiert die Infrarot-Strahlung, sodass die Temperatur des damit benetzten Kunststoffpulvers über seinen Schmelzpunkt steigt. Hierdurch wird das Kunststoffpulver partiell verschmolzen. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis der Bauteilaufbau abgeschlossen ist (Fertigstellung).

 

Kompetenzen

Materialqualifizierung

Das HSS ermöglicht die Verarbeitung einer großen Bandbreite an Kunststoffen – auch bisher nicht additiv verarbeitbarer Polymere. Für die Qualifizierung Ihres Polymers für das HSS unterstützen wir Sie von einem ersten Proof of Concept über eine mehrstufige Parametrisierung bis hin zur gemeinsamen prozessspezifischen Anpassung des Polymerpulvers.

Prozess- und Bauteilentwicklung

Das HSS ermöglicht durch die Einstellung des selektiven Energieeintrags auf Voxelebene und der Verwendung funktionaler Tinten die Fertigung von Bauteilen aus funktional gradiertem Material. So können bspw. Bauteile mit kontinuierlichen und diskontinuierlichen mechanischen, tribologischen oder elektrischen Eigenschaftsverläufe realisiert werden. Wir unterstützen Sie vom Design über die Materialauswahl bis zur Auslegung des Fertigungsprozesses der funktional gradierten Bauteile. 

Anlagenentwicklung

Das HSS bietet im Bereich der Anlagensysteme nach wie vor ein erhebliches Innovations- und Optimierungspotenzial – vor allem in Bezug auf Produktivität, prozessseitige Funktionalisierung der Bauteile sowie verarbeitbarer Materialbandbreite. Für die Hebung dieser Potentiale optimieren wir einzelne Komponenten für bestehende HSS-Anlagen sowie entwickeln komplette anwendungsspezifische Anlagensysteme. 

HSS Material Network

Um die Qualifizierung neuer Polymerwerkstoffe für das High Speed Sintering (HSS) zu beschleunigen, haben das Fraunhofer IPA, die Universität Bayreuth und die voxeljet AG das HSS Material Network initiiert. Ziel des HSS Material Network ist es, die vorhandenen Kompetenzen zu bündeln, um Unternehmen flexibel bei der Entwicklung, Parametrisierung und Zertifizierung von Polymerwerkstoffen zu unterstützen. Denn nur durch eine perfekte gegenseitige Abstimmung von Anlagentechnik, Fertigungsprozess und Polymerwerkstoff können höchste Bauteilqualitäten realisiert werden. Das HSS Material Network unterstützt darüber hinaus Unternehmen bei der Vermarktung ihrer Polymerwerkstoffe vom Proof of Concept über das Benchmarking bis hin zur Integration in die Serienfertigung.

Referenzen

Proof of Concept

SABIC’s experimental PET powder

Der Proof of Concept zeigt erstmalig die grundlegende Verarbeitbarkeit von PET im HSS auf. Im Rahmen der Versuche konnten auch prozess-, anlagen- und materialspezifische Optimierungen aufgezeigt werden, die eine industrietaugliche Fertigung von PET-Bauteilen im HSS ermöglichen.    

Proof of Concept

iglidur® i3 PL, igus® GmbH

Auf Basis einer ersten Parametrisierung des auf Verschleißfestigkeit optimierten Materials konnten Gleitlager und Zahnräder gefertigt werden, die sehr gute tribologische Eigenschaften aufweisen. Dadurch und aufgrund der guten Prozessfähigkeit konnte dem Polymerpulver im Rahmen des Proof of Concepts eine sehr gute Eignung für das HSS nachgewiesen werden.

Proof of Concept

ROLASERIT® PP01, AM POLYMERS GmbH

Der Proof of Concept weist dem PP-Pulver eine gute Verarbeitbarkeit im HSS nach. So konnten bereits in diesem frühen Stadium der Parametrisierung Bauteile mit guten Eigenschaften gefertigt werden.  

Benchmarking

DiaPow HDPE HX 11, Diamond Plastics GmbH

HDPE ist aufgrund seiner Eigenschaften eines der am häufigsten verwendeten Polymere. Eine geeignete Verarbeitung mittels additiver Fertigung bspw. im Lasersintern (LS) ist aufgrund einer Versprödung von HDPE bei hohen Energieeinträgen bisher kaum möglich. Der materialspezifisch ausgelegte HSS-Prozess ermöglicht hingegen eine Fertigung von HDPE-Bauteilen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften bei hoher Oberflächengüte. 

Benchmarking

PowderSintTM TPU Soft UE 354, Launhardt GmbH

Eine additive Fertigung besonders weicher Bauteile aus TPU mittels pulverbettbasierter Verfahren birgt aufgrund einer Verringerung der Fließfähigkeit der Pulver mit abnehmender Shore-Härte große Herausforderungen. Der spezifisch auf das softe TPU-Pulver angepasste HSS-Prozess ermöglicht eine geeignete Verarbeitung und damit eine Fertigung von Bauteilen mit höchster Qualität.

Qualifizierung

ROLASERIT® TPU, AM POLYMERS GmbH

Die mit dem entwickelten HSS-Prozess hergestellten Bauteile aus TPU weisen Eigenschaften auf, die denen im Lasersintern erzielten in Nichts nachstehen bzw. diese teilweise deutlich übertreffen. So können bspw. Bruchdehnungen von deutlich über 750 % (XY) bzw. 300 % (Z) erzielt werden. Zudem kann die Härte innerhalb eines Bauteils zwischen 60 und 82 Shore A auf Voxelebene eingestellt werden.

HSS-Labor

Kern­ele­ment des HSS-Labors ist die High Speed Sintering (HSS)-Maschine voxeljet VX200 HSS. Deren offene Soft- und Hardware ermöglicht eine individuelle Einstellung aller Prozessparameter und eine freie Programmierung der Prozessschritte. Dadurch bildet diese in Kombination mit der vorhandenen Anlagentechnik des Pre- und Post-Prozesses optimale Voraussetzungen für jegliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten entlang der gesamten Prozesskette des HSS. Ergänzend dazu steht ein umfangreiches Analyse- und Messequipment für die Ermittlung aller für eine Materialqualifizierung relevanten Pulver-und Bauteileigenschaften zur Verfügung.