Werkstoffliches Recycling von Kunststoff-Altpulver aus pulverbasierten Additiven Fertigungsverfahren im Fused Deposition Modeling Verfahren

Die Additive Fertigung (AM) gewinnt zur Realisierung von komplexen Strukturen, Kleinserien und individualisierten Lösungen immer weiter an Bedeutung. Die daraus resultierende Flexibilität kann insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) helfen, neue Absatzmärkte zu erschließen.
Eine der heutzutage wesentlichen Bestrebungen bei der Etablierung neuer Fertigungssysteme ist dabei die Ressourcen- und damit verbundene Kosteneinsparung im Herstellungsprozess sowie über den Produktlebenszyklus. Zur Herstellung dieser komplexen Strukturen aus Kunststoff kommen in der Additiven Fertigung hauptsächlich pulverbasierte sowie extrusionsbasierte AM-Verfahren zur Anwendung.
Die Verfahrensprinzipien unterscheiden sich dabei grundlegend. Bei den pulverbasierten (PB) AM-Verfahren, wie dem Selektiven Lasersintern (SLS) sowie dem Multi Jet Fusion (MJF), wird eine Energiequelle (z. B. Laser) zur schichtweisen Belichtung von Kunststoffpulver eingesetzt. Bei den extrusionsbasierten Verfahren, wie dem Fused Deposition Modeling (FDM), wird hingegen ein Filament plastifiziert und als Kunststoffstrang ausgetragen.
Bei den PB-AM-Verfahren kommt es aufgrund der langen Verweilzeit des Kunststoffpulvers unter Prozessbedingungen zu einer thermischen Einwirkung. Dadurch wird die Schmelzefließfähigkeit durch Nachkondensation, eine Nachvernetzung der Polymerketten, reduziert. Dies hat eine Beeinträchtigung der visuellen Bauteileigenschaften durch die sogenannte „Orangenhaut“, begründet durch die verringerte Schmelzeviskosität, zur Folge. Daher kann bereits genutztes Kunststoffpulver für die Fertigung qualitativ hochwertiger Bauteile in den PB-AM-Verfahren nur anteilig wiederverwendet werden. Hinzu kommt, dass bei einer durchschnittlichen Bauraumauslastung ausschließlich 10 % des theoretisch verfügbaren Volumens für die Bauteilfertigung genutzt wird. Folglich entfallen die verbleibenden 90 % auf Altpulver. Unter Berücksichtigung der empfohlenen Auffrischungsraten zwischen 30 % und 50 % werden somit effektiv lediglich 45 % bis 63 % des Altpulvers direkt im Prozess recycelt. Dieser prozessbedingte Materialverbrauch erhöht nicht nur unweigerlich den Materialkostenanteil an den gefertigten Bauteilen, sondern führt ebenfalls zu einer Umweltbelastung durch die erforderliche Herstellung und Entsorgung des Materials. Insbesondere für KMU stellt diese Problemstellung Hindernisse bei der Nutzung der PB-AM Verfahren dar.
Das FDM-Verfahren stellt eine Möglichkeit dar, Altpulver aus den PB-AM-Verfahren werkstofflich zu recyceln. Hierfür ist allerdings eine umfassende Betrachtung der gesamten Prozesskette von der Materialcharakterisierung über die Compoundierung bis zur Verarbeitung im FDM-Verfahren erforderlich. Dies stellt für KMU eine bedeutende wirtschaftliche Belastung dar. Durch die wissenschaftliche Betrachtung und die Entwicklung von Richtlinien werden KMU zur Umsetzung dieser Themenstellung befähigt, wodurch die entstehenden Abfallmengen reduziert sowie die beschriebene Prozesskette etabliert werden können.
Das Ziel des Projektes ist das Recycling des bei den PB-AM-Verfahren anfallenden Altpulvers hin zu Kunststofffilament, welches im FDM verarbeitet werden kann. Dadurch soll die Entsorgung des Materials vermieden sowie natürliche Ressourcen geschont werden. Weiterführend wird die Herstellung hochwertiger Filamente angestrebt. Hierbei sei auf die erschwerte Verarbeitung von teilkristallinen Kunststoffen im FDM verwiesen, welche im SLS und MJF eingesetzt werden. Dabei kann das Schwindungsverhalten Verzug und damit die Reduzierung der geometrischen Bauteilqualität induzieren. Durch eine geeignete Prozessführung sowie die Zugabe von Füllstoffen ist es möglich, diesen Verzug zu minimieren.
Folglich ist es das Ziel, für die entwickelte Materialrezeptur vergleichbare mechanische Eigenschaften gegenüber Neuware in identischer Modifikation zu erhalten. Daraus ergibt sich in dem Projekt eine umfassende Betrachtung der gesamten Prozesskette von der Charakterisierung und Compoundierung des Altpulvers über die Herstellung des Filaments bis zur Verarbeitung im FDM. Anhand von Richtlinien sollen Unternehmen und insbesondere KMU befähigt werden, von dem werkstofflichen Recycling von AM-Altpulver hin zu einem im FDM verarbeitbaren Filament zu profitieren.