Werkzeuglose Fertigung von Faserverbundbauteilen 3D-Druck und Tapelegen senken Kosten

Das Fraunhofer-Forschungsfeld Leichtbau zeigt, wie die werkzeugfreie Herstellung komplexer Faserverbundbauteile gelingt. Die Kombination aus großformatigem 3D-Druck und automatisiertem Tapelegen senkt Herstellkosten und CO₂-Fußabdruck. Für Kunststoffverarbeiter eröffnet dies effiziente Wege bei kleinen und mittleren Stückzahlen.

Seit 2025 leitet das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU das Forschungsfeld Leichtbau und bündelt darin die Kompetenzen von 16 Instituten. Koordiniert von Chemnitz aus, formt dieser Zusammenschluss eine leistungsstarke Plattform entlang des gesamten Leichtbaus. Das Netzwerk bietet Industrieunternehmen integrierte Forschungs- und Entwicklungsleistungen aus einer Hand.

Die Forscher fokussieren sich auf den werkstoff- und fertigungsgerechten Systemleichtbau, indem sie Materialien, Konstruktion und Produktionsprozesse ganzheitlich optimieren. Kunststoffverarbeiter profitieren dadurch von reduzierten Gewichten, hoher Ressourceneffizienz und leistungsfähigeren Bauteilen.

Frontmaske eines ICE und ohne teure Formen schneller fertigen

Wie Unternehmen diese Konzepte effizient in Produkte übersetzen, demonstriert das Projekt „3D-FiberTrain“. Das Konsortium aus den Instituten Fraunhofer IWU und Fraunhofer IMWS sowie Industriepartnern wie der Hörmann Vehicle Engineering und Lakowa entwickelte innerhalb von drei Jahren zwei großformatige Zugkomponenten. Die Partner fertigten eine Frontschürze sowie eine Bugnase für einen Hochgeschwindigkeitszug komplett werkzeugfrei.

Dies gelang, indem sie großformatigen 3D-Druck mit einem automatisierten 3D-Tapelegeverfahren kombinierten. Als Werkstoff diente ein glasfaserverstärktes Polycarbonat, das die strengen Brandschutzanforderungen für Schienenfahrzeuge erfüllt.

Teure Fehldrucke vermeiden 

Der integrierte Flammschutz erschwert jedoch die Verarbeitung im 3D-Drucker. Um kostspielige Fehldrucke durch thermischen Bauteilverzug oder Delaminationen zu vermeiden, berechnen die Forscher den Prozess vorab per Simulation. Spezielle Methoden zur Strukturoptimierung reduzieren zudem die Anzahl der Verstärkungstapes auf das mechanisch notwendige Minimum.

Weil teure Formwerkzeuge entfallen und die Anlage hochautomatisiert arbeitet, sinken die Herstellkosten und der CO₂-Fußabdruck deutlich. Das Verfahren eignet sich deshalb besonders wirtschaftlich für kleine und mittlere Stückzahlen. In Folgeschritten soll die direkte Verarbeitung von Rezyklat die Kreislaufwirtschaft thermoplastischer Komponenten weiter vorantreiben.

Leichtbautechnologie in ganzer Breite

Über das Bahnprojekt hinaus bietet die Allianz weitreichende Lösungen für die Kunststoffindustrie. Verarbeiter greifen auf Verfahren für hybride Thermoplast-Bauteile, RTM- und Hochdruck-RTM-Prozesse sowie die automatisierte Prepreg-Verarbeitung zu. Eine umfangreiche Testinfrastruktur mit Hochenergie-CT sichert die Bauteilqualität zerstörungsfrei ab.

Seit einem Jahr bereichert zudem das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP das Forschungsfeld. Das IAP entwickelt maßgeschneiderte Lösungen von der Polymersynthese über biobasierte Carbonfasern bis hin zu werkstofflichen Recyclingstrategien für End-of-Life-Szenarien.