Forschung zur additiven Fertigung IKT untersucht FFF-Prozesse mit Röntgen und entwickelt Soft-Touch-Filament

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Das Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart präsentiert sich auch dieses Jahr auf der Fakuma 2026. In jüngster Vergangenheit haben am Institut zwei Forschungsprojekte zum Thema additive Fertigung für Aufsehen geregt.

Das Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart präsentiert auf der Fakuma 2026 zwei Forschungsprojekte zur additiven Fertigung. Die Vorhaben setzen an unterschiedlichen Herausforderungen des FFF-Verfahrens an: Das Projekt „XTrude“ untersucht mit Röntgenstrahlung die Aufschmelz- und Strömungsvorgänge in Druckdüsen. Parallel entwickelt das IKT gemeinsam mit der Bernhardt Kunststoffverarbeitung ein zweikomponentiges Filament, mit dem sich Soft-Touch-Oberflächen im Strangablegeverfahren realisieren lassen sollen.

Röntgenblick auf die Vorgänge in der FFF-Druckdüse

Mit dem Forschungsprojekt „XTrude“ will das IKT genauer verstehen, was beim Aufschmelzen und Strömen von Kunststoff innerhalb einer FFF-Druckdüse passiert. Im Mittelpunkt stehen damit Prozesse, die für die Leistungsfähigkeit des additiven Fertigungsverfahrens entscheidend sind, sich aufgrund der geringen Abmessungen des sogenannten Hot-Ends aber nur schwer direkt beobachten lassen.

Das FFF-Verfahren zählt zu den am weitesten verbreiteten additiven Fertigungsverfahren. Dabei wird ein Kunststofffilament schichtweise auf einer Bauplattform abgelegt. Der Durchsatz wird wesentlich durch die Aufschmelzrate des Filaments begrenzt. Gerade wenn FFF nicht mehr nur für Prototypen und Produktentwicklung eingesetzt wird, sondern auch für Serienanwendungen mittlerer und größerer Losgrößen infrage kommt, gewinnt damit die Frage an Bedeutung, wie sich der Prozess weiter beschleunigen lässt. Das IKT sieht dafür einen hohen Bedarf an detaillierten Modellierungen und Simulationsanalysen.

Genau hier setzt der Röntgenansatz an. Bislang stoßen konventionelle Methoden bei der Untersuchung der Kunststoffschmelze an Grenzen, weil sie einen optischen Zugang zum strömenden Medium benötigen. Das ist in einer industriellen Druckdüse jedoch nur schwer möglich. Das IKT ersetzt deshalb die bislang verwendeten Kamera- und Lasersysteme durch eine Röntgenprüfung.

Dafür werden die Kunststoffe mit sphärischen Wolframpartikeln versetzt. Die Partikel können bis zu 100 µm groß sein und schwächen die einfallende Röntgenstrahlung deutlich stärker ab als die umgebende Kunststoffmatrix. Dadurch werden ihre Bewegungen in der Schmelze sichtbar und können ausgewertet werden. Zum Einsatz kommen dabei Particle Tracking Velocimetry (PTV) und Particle Image Velocimetry (PIV).

Dafür werden die Kunststoffe mit sphärischen Wolframpartikeln versetzt. Die Partikel können bis zu 100 µm groß sein und schwächen die einfallende Röntgenstrahlung deutlich stärker ab als die umgebende Kunststoffmatrix. Dadurch werden ihre Bewegungen in der Schmelze sichtbar und können ausgewertet werden. Zum Einsatz kommen dabei Particle Tracking Velocimetry (PTV) und Particle Image Velocimetry (PIV).

Röntgenprüfung statt optischer Analyse

Für die Untersuchungen nutzt das IKT eine institutseigene µ-CT-Anlage von Comet Yxlon, Typ FF20 CT. Die Anlage erreicht eine Auflösung bis hinab zu einem Mikrometer. Damit können die speziell für die Röntgenuntersuchung ausgelegten Aluminiumdüsen durchleuchtet werden. Die Bewegungen der Wolframpartikel lassen sich während der Extrusion positionsgenau erfassen.

Der neue Untersuchungsansatz soll bestehende Modellierungen und Simulationsanalysen ergänzen und experimentell validieren. Das ist insbesondere deshalb relevant, weil bisherige Analyseverfahren entweder einen bereits abgekühlten und mit Farbmarkern versehenen Filamentstrang untersuchten oder transparente Glasdüsen nutzten. Beide Ansätze erlauben nach Angaben des IKT jedoch nur indirekte Rückschlüsse auf die eigentliche Kunststoffschmelze beziehungsweise lassen sich aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften nicht ohne Weiteres auf metallische Druckdüsen übertragen.

Mit „XTrude“ will das IKT damit eine Lücke zwischen Simulation und tatsächlichem Prozessgeschehen schließen. Ein genaueres Verständnis der Aufschmelz- und Strömungsvorgänge soll dazu beitragen, bestehende Modelle weiterzuentwickeln und besser mit realen Prozessen abzugleichen. Nach Angaben des Instituts soll dies langfristig dazu beitragen, das FFF-Verfahren effektiver und wirtschaftlicher zu machen.

Ein zweites Projekt setzt beim Material an

Während „XTrude“ den Blick in den Prozess richtet, beschäftigt sich das zweite Forschungsprojekt des IKT mit einer anderen Einschränkung der additiven Fertigung: den Eigenschaften der verfügbaren Filamente.

Gemeinsam mit der Bernhardt Kunststoffverarbeitung GmbH arbeitet das Institut an einem 2-Komponenten-Filament mit Soft-Touch-Oberfläche für die additive Fertigung im Strangablegeverfahren. Ziel ist es, Materialeigenschaften zu erschließen, die mit klassischen Mono-Filamenten bislang nur schwer oder gar nicht verarbeitet werden können.

Soft-Touch durch Core-Shell-Aufbau

Das grundsätzliche Problem liegt bei weichen Filamenten in ihrer Verarbeitbarkeit. Je weicher das Material wird, desto größer ist nach Angaben des IKT die Knickneigung des Filaments. Dadurch kann die zuverlässige Förderung in den Schmelzkopf erschwert werden. Genau diese Einschränkung macht die Verarbeitung sehr weicher Materialien im Strangablegeverfahren bislang schwierig.

Die Projektpartner verfolgen deshalb einen Core-Shell-Ansatz. Statt ein einziges Polymer mit den gewünschten Eigenschaften als Filament zu verwenden, werden zwei unterschiedliche Werkstoffe gezielt miteinander kombiniert. Ein steiferer Kern übernimmt dabei die für die Förderung erforderliche mechanische Stabilität, während eine nachgiebige Mantelschicht die gewünschte weiche Oberfläche ermöglicht.

Damit sollen Eigenschaftskombinationen realisiert werden, die mit Mono-Filamenten aus den jeweiligen Ausgangspolymeren nicht erreichbar sind. Als konkrete Anwendung nennt das IKT beispielsweise weiche Dichtungen und Griffkomponenten.

Vorgesehen sind dabei Shore-Härten von unter 60 A. Ein Ziel des Projekts ist zudem, zu untersuchen, ob sich durch den Materialaufbau die Schichthaftung in Aufbaurichtung verbessern lässt. Damit geht die Entwicklung über die reine Erzeugung einer weicheren Oberfläche hinaus und adressiert gleichzeitig die Eigenschaften des gedruckten Bauteils.

Modulares Werkzeug für die Co-Extrusion

Ein weiterer Bestandteil des Projekts ist die Entwicklung eines modularen Werkzeugs für die kontinuierliche Co-Extrusion. Damit soll sich der Aufbau des Core-Shell-Querschnitts gezielt steuern lassen.

Der modulare Ansatz soll es ermöglichen, den Prozess an unterschiedliche Core-Shell-Konfigurationen anzupassen. Damit würde die Entwicklung nicht auf eine einzige Materialkombination oder einen festgelegten Filamentaufbau beschränkt bleiben.

Das Vorhaben ist auf zwei Jahre angelegt und wird innerhalb des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (AiF-ZIM) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.

Zwei Forschungsrichtungen für das Strangablegeverfahren

Die beiden Projekte zeigen damit zwei unterschiedliche Forschungsrichtungen innerhalb der additiven Fertigung. „XTrude“ soll mit einer neuen Messtechnik detailliertere Informationen über die Vorgänge im Druckprozess liefern. Das Core-Shell-Projekt setzt dagegen bei den Materialeigenschaften an und soll die Verarbeitung weicherer Filamente ermöglichen.

Für das IKT geht es dabei um grundlegende Fragestellungen der Kunststofftechnik: Wie lassen sich Prozesse besser verstehen, modellieren und weiterentwickeln? Und wie können neue Materialaufbauten die Grenzen bestehender Fertigungsverfahren verschieben?