Elektrisch leitfähige Kunststoffe eröffnen neue Möglichkeiten in der Medizin-, Kommunikations- und Energietechnik. Doch ausgerechnet diese vielversprechenden Werkstoffe sind in der industriellen Verarbeitung sehr anspruchsvoll. Hochgefüllte Polymere lassen sich im Laserpulverbettschmelzen (PBF-LB/P) nur schwer verarbeiten, und auch beim Laserstrahlschweißen führen ihre optischen Eigenschaften schnell zu Defekten. Mit dem ZIM-Projekt „Herstellung von elektrisch leitfähigen Polymerbauteilen durch Laserstrahlschweißen und pulverbettbasierte Additive Fertigung hochgefüllter Polymere“ (HighAbsorWeld) stellt sich die Forschung und Entwicklung am blz gemeinsam mit der Evosys Laser GmbH genau diesen Herausforderungen.
Warum leitfähige Polymere so schwer zu verarbeiten sind
Hochgefüllte Polymere zeichnen sich durch eine hohe optische Absorption aus. Dadurch wird die Laserenergie nahezu vollständig in oberflächennahen Bereichen deponiert.
Typische Effekte dieser Materialeigenschaft
Daraus ergeben sich mehrere prozesstechnische Risiken:
- unvollständige Verschweißung aufgrund zu geringer Eindringtiefe
- lokale Überhitzung der Oberfläche
- Materialschädigung bis hin zur Degradation
- Einbußen in der elektrischen Leitfähigkeit
Um robuste Prozesse zu entwickeln, sind deshalb ein tiefes Verständnis des Materialverhaltens und ganzheitliche Forschungsansätze notwendig.
Ein modularer Lösungsansatz
Entwicklung eines neuen Prozessmoduls und eines stabilen Prozesses für das Fügen hochgefüllter Polymere
Im Projekt entstehen die notwendigen Prozessstrategien und ein darauf aufbauendes Prozessmodul, das speziell auf die Bedürfnisse leitfähiger, hochgefüllter Kunststoffe zugeschnitten ist und folgende Elemente kombiniert:
- angepasste Belichtungsstrategien zur kontrollierten Energiedeposition
- eine räumlich aufgelöste Temperaturüberwachung während des Schweißprozesses
- optimierte Spanntechnik für wärmesensible Bauteile
- Schweißprozesse, die keine Materialschädigung hervorrufen
Parallel dazu wird ein stabiler PBF-LB/P-Prozess entwickelt, der erstmals die reproduzierbare Additive Fertigung hochgefüllter Polymere ermöglicht – ein wichtiger Schritt für die Weiterentwicklung der laserbasierten Additiven Fertigung.
Fortschritte aus der bisherigen Projektphase
Erste Ergebnisse aus Labor und Prozessentwicklung
Bereits erreicht wurden:
- Herstellung und Analyse neu entwickelter Polymerpulver
- Identifikation geeigneter Prozessfenster für das PBF-LB/P
- reproduzierbare Fertigung von Bauteilen mit hoher Qualität
- Nachweis grundlegender elektrischer Funktionalität
- Entwicklung funktionsfähiger Spann- und Fügevorrichtungen
- erfolgreiche Schweißversuche, die tragfähige Verbindungen belegen
Damit ist gezeigt: Leitfähige, hochgefüllte Polymere können sowohl additiv gefertigt als auch laserbasiert gefügt werden – wenn Prozessführung und Materialstrategie optimal aufeinander abgestimmt sind.
Ausblick – der Weg zu industriellen Anwendungen
Im nächsten Projektabschnitt konzentrieren wir uns nun auf:
- die Validierung der Temperaturüberwachung
- die Erweiterung des Ansatzes auf weitere Polymerklassen wie PP und TPU
- die Entwicklung von Design- und Prozessrichtlinien für industrielle Anwendungen
HighAbsorWeld schafft damit wichtige Grundlagen, um leitfähige Polymere künftig zuverlässig in der Industrie einzusetzen.
Morgen geht das nächste Türchen auf – und gewährt weitere Einblicke in unsere vielfältigen Aktivitäten rund um Laser, Materialien und Prozesse.
Die Abbildung zeigt im PBF-LB/P-Verfahren gedruckte Proben (a) sowie Impedanzmessungen zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit (b).
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