Fachwerk aus dem 3D-Drucker

Fachwerk gibt es nicht nur an alten Häuserfassaden zu bestaunen. Auch 3D-Drucker können diese Strukturen herstellen – und damit in Zukunft vielleicht die Industrie revolutionieren. Ein Team aus Studierenden der Hochschule Ravensburg-Weingarten und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) hat ein Verfahren entwickelt, mit einem 3D-Druck-Roboter ultraleichte Fachwerk-Strukturen herzustellen.

„Wir reden nicht mehr von Prozentzahlen, sondern von Faktoren“, sagt Martin Eichenhofer, der die dreiköpfige Projektgruppe leitet. „Unser Verfahren ermöglicht es, Kunststoffstrukturen auszudrucken, die eine um den Faktor 20 höhere Steifigkeit aufweisen als konventionelle Kunststoffstrukturen bei gleichem Gewicht.“ Das funktioniert, weil die Studierenden einen Druckkopf entwickelt haben, der sogenannte faserverbundverstärkte Kunststoffe ausdrucken kann.

Im Inneren des Druckkopfes werden dabei innerhalb weniger Sekunden Thermoplast- mit Carbonfasern verschmolzen. Nach dem Erstarren entsteht ein hochsteifer Fachwerkstab. Der Druckkopf selbst ist an einen Industrieroboter der Firma Kuka angebracht und kann sich flexibel in alle Richtungen drehen. Damit können die Stäbe auch diagonal in den Raum auf eine Platte gedruckt werden.

Die Vorteile des Verfahrens liegen auf der Hand. Es ist kostengünstig, da weniger Material verbraucht wird als bei der konventionellen 3D-Druckweise. Es sind hohe Prozessgeschwindigkeiten möglich, die schnelle Ergebnisse liefern. Der größte Vorteil des Verfahrens besteht jedoch im wesentlich geringeren Gewicht, das durch die Verwendung der leichten Fasern erreicht werden kann. Gleichzeitig ist die Belastbarkeit des Materials sehr hoch.

Den Beweis dafür hält der 25-jährige Daniel Schupp in der Hand: Ein rund zehn Zentimeter langes Druckstück, das aus zwei Deckplatten und einer Kernstruktur besteht. Die gitterartige Kernstruktur mit ihren diagonal aufgedruckten Kunststoffstäben sieht ähnlich aus wie der Ausleger eines Krans. Die Kernstruktur wiegt zweieinhalb Gramm, zusammen mit den beiden Deckplatten wiegt das Element gerade einmal 28 Gramm – kann aber eine Last von 280 Kilogramm aushalten. „Faserverstärkte Kunststoffe könnten damit in Zukunft in manchen Bereichen das Konkurrenzprodukt zu Metallen werden, denn sie wiegen viel weniger“, sagt der gebürtige Weingartener Daniel Schupp.

Das Verfahren könnte in einigen Jahren die Industrie revolutionieren. Gerade Industriezweige, die auf Leichtbaumaterialien angewiesen sind, wie die Luft- und Raumfahrtindustrie oder die Automobilindustrie, könnten davon profitieren. Denn weniger Gewicht bei Flugzeugen, Autos oder Drohnen bedeutet auch weniger Kraftstoffverbrauch oder eine längere Akkulaufzeit. „Das Verfahren ist generell geeignet für stützende und tragende Teile in Produkten, die eine hohe Steifigkeit aufweisen müssen“, erklärt Patrick Striemann. Der 26-Jährige studiert Technik-Management und Optimierung an der Hochschule Ravensburg-Weingarten.

Seit Mai 2015 fördert die Zeppelin Jugendstiftung das Projekt der Studierenden. „Das Verfahren ist denkbar für die Herstellung von Fahrzeugbodenstrukturen, Flugzeugbodenstrukturen und Leichtflächengebilde“, sagt Dr. Harald Wilms, Director Business Development bei Zeppelin Power Systems in Bremen und Kurator der Zeppelin Jugendstiftung. Für eine Drohne haben die Studierenden beispielsweise Standfüße gedruckt, die um ein Vielfaches leichter sind als vergleichbare Teile im Handel. Doch Harald Wilms sieht noch weitere Einsatzmöglichkeiten: „Auch für die Flügel von Windkraftanlagen könnte man das Verfahren nutzen und damit die erneuerbaren Energien ein Stück weit voranbringen.“

An der Hochschule in Weingarten haben mehrere Disziplinen zur Umsetzung des Projektes beigetragen: Die Werkstoffkunde, die Feinmechanik und die Robotik. Nach 18 Monaten Arbeit ist es dem Team gelungen, den Druckkopf steuerungstechnisch auf das Robotersystem zu übertragen und den Prototyp in eine nahezu industrietaugliche Lösung umzusetzen. In jeder Projektphase unterstützt hat die Studierenden dabei Dr. Konrad Wöllhaf, Professor für Robotik an der Hochschule Ravensburg-Weingarten. „Trotz vieler Schwierigkeiten, bei denen andere schon längst aufgegeben hätten, haben sich die Studierenden durchgebissen und deutlich mehr erreicht als ich erwartet hatte“, so Wöllhaf. „Ich bin begeistert.“ Was die verwendeten Materialien angeht, konnten sich die Studierenden bei Fragen an Dr. Michael Niedermeier, Professor für Werkstoffkunde, wenden.

Martin Eichenhofer, Gründer der Projektgruppe und mittlerweile Doktorand an der ETH Zürich, hat genaue Pläne für die Zukunft: „Ich will mich selbstständig machen und Drucksysteme für Industrieanwendungen entwickeln“, so Eichenhofer. „Ich bin mir sicher, dass es in 20 Jahren 3D-Druck-Roboter geben wird, die autonom durch Industriehallen fahren und Metall-, Papier- und Kunststoffdruck perfekt kombinieren können – und damit Produkte statt wie bisher nur als Prototypen auch in Serie fertigen können.“