Projektabschluss InlineSense

Bisherige 3D-Druck-Systeme in der Kunststofffertigung wie das Fused Layer Modeling (FLM) weisen häufig Schwankungen in der Bauteilqualität und Festigkeit auf, da unvorhersehbare Temperatur- und Druckschwankungen im Hotend die Bauteilintegrität beeinträchtigen oder zu Materialdegradation führen können. Um diese Defekte und den damit verbundenen Ausschuss zu reduzieren, braucht es Messsysteme direkt im Inneren des Schmelzekanals, die eine schnelle Reaktion auf Prozessabweichungen ermöglichen.

Hier setzt das Ende 2025 erfolgreich abgeschlossene IGF-Projekt „InlineSense“ (FKZ: 01IF22632N) an. Der Lehrstuhl für Werkstofftechnologie (LWT) und der Lehrstuhl für Konstruktion und Produktentwicklung (LKP) der TU Dortmund verfolgten das übergeordnete Ziel, die FLM-Technologie durch eine integrierte Inline-Prozesskontrolle von einem reinen Prototyping-Verfahren zu einem zuverlässigen, industriellen Fertigungsstandard aufzuwerten. Hierfür wurden mikrometerdünne, PVD-basierte (Physical Vapor Deposition) Sensor- und Aktorschichten direkt an der Wandung des Schmelzekanals des Hotends integriert, um Prozessschwankungen in Echtzeit zu erfassen und diesen unmittelbar entgegenzusteuern.

Wesentliche Ergebnisse des Projekts:

• Zwei Hotend-Designs: Um die Innenflächen der engen Kanäle beschichtbar zu machen, wurden zwei Konzepte realisiert (siehe Abbildung 1):

  • Das geteilte Hotend bietet maximale Zugänglichkeit für den Beschichtungsprozess mit der Integration aller Sensorschichten und hält Drücken bis 150 bar stand.

  • Das T-Stück-Konzept dient als kompakter Träger für die Sensorik, zeichnet sich durch einfache Handhabung aus und ermöglicht ein schnelleres Aufheizen.

• Präzision durch alternative Substrate: Durch den Einsatz von Aluminiumnitrid (AlN) als Grundwerkstoff konnte eine deutlich höhere Messgenauigkeit bei minimalen Ansprechzeiten erzielt werden. Die aktuellen Herausforderungen liegen noch in der Sprödigkeit des Materials bei der Montage.

• Integrierte Funktionalität: Es gelang die Synthese von Kupfer-Heizwendeln und Thermoelementen (Typ K – Ni-NiCr) mit der Magnetron-Kathodenzerstäubung. Dabei wurden auch erste vielversprechende Ansätze zur Integration einer Druckmesssensorschicht aus NiCr und Konstantan entwickelt, um künftig alle prozesskritischen Parameter simultan zu erfassen.

• Multifunktionale Schutzschicht: Als Schutzschicht wurde eine AlCrON-Dünnschicht entwickelt, die gleichermaßen zur elektrischen Isolation der Sensorik dient wie zum Schutz gegen die abrasive Wirkung und Anhaftung der strömenden Kunststoffschmelze.

• Hochtemperatur-Performance: Die entwickelten Kupfer-Wendel erreichen Temperaturen von über 275 °C, was das Aufheizen von technischen Kunststoffen bis hin zu Hochleistungsthermoplasten ermöglicht.

Abbildung 1: Entwickelte Hotend-Designs [http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-26496]

Das Projekt beweist die Machbarkeit von Dünnschichtsystemen zur Prozessstabilisierung, wobei künftige Forschungen die Langlebigkeit im realen Einsatz sowie die Weiterentwicklung der Drucksensorik fokussieren. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Sensordünnschichten sowie Designs bieten zudem Potenzial für weitere Einsatzgebiete in der Kuststofftechnik. Die vollständigen Ergebnisse können im Abschlussbericht eingesehen werden: http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-26496

Das IGF-Vorhaben der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e.V. (FGK) wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Betreuung des Projekts erfolgte durch den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Wir danken allen Beteiligten für die Unterstützung dieses Vorhabens.

                                                                                                             Verfasst von Julia Urbanczyk, 16.03.2026