09.10.2026
Technologien
Die additive Fertigung (AM), insbesondere die Materialextrusion (MEX) mit thermoplastischen Kunststoffen, entwickelt sich zunehmend zur Technologie für leistungsfähige Funktions- und Strukturbauteile. Die Verbindungstechnik hält mit dieser Entwicklung jedoch nur eingeschränkt Schritt. Zwar existieren etablierte Lösungen wie Direktverschraubungen, integrierte Muttern oder Gewindeeinschmelzhülsen, eine auf die MEX-Technologie zugeschnittene und gleichzeitig hochfeste, reproduzierbare und automatisierbare Lösung fehlt bislang. Genau hier setzt die neuentwickelte thermo-mechanische Verbindungstechnik an.
Neue thermo-mechanische Gewindeintegration
Kerngedanke der Technologie ist es, Gewindehülsen mit großen Außengewindeflanken tief in vorgesehene Kernlöcher des MEX-Bauteils kraftflussgerecht zu verankern. Zur Vermeidung von Vorschäden, wie Delamination, werden die Gewindeflanken vor der Integration thermisch aktiviert und als Wärmeüberträger eingesetzt. Das umgebende Material wird dadurch lokal aufgeschmolzen. Für die Applikation wird die Hülse entsprechend ihrer Gewindegeometrie extern geführt. Vorschub und Rotation werden synchronisiert, um Kavitäten im Verschraubungsbereich zu vermeiden. Nach dem Abkühlen ist die Hülse fest im homogenisierten Bauteilbereich verankert.
Erste experimentelle Ergebnisse
Die Auszugfestigkeit der thermo-mechanischen Gewindeintegration wurde zunächst anhand von PLA (Polylactide) und M5-Gewindehülsen untersucht. Verglichen wurden eine konventionelle Gewindeeinschmelzhülse nach DVS 2240-1 als Referenz mit bei Raumtemperatur mechanisch eingedrehten und thermo-mechanisch applizierten Gewindehülsen.
Die ersten Versuche zeigen deutliche Unterschiede im Kraftniveau und in der Reproduzierbarkeit der Verbindungskonzepte.
Drei wesentliche Erkenntnisse lassen sich ableiten:
- Die Gewindehülse ermöglicht gegenüber der konventionellen Gewindeeinschmelzhülse deutlich höhere Auszugskräfte.
- Das kalte Eindrehen erreicht zwar hohe Auszugskräfte, zeigt jedoch eine hohe Streuung und damit eine begrenzte Reproduzierbarkeit.
- Die thermo-mechanische Applikation kombiniert hohe Auszugskräfte mit geringer Streuung und ermöglicht auch bei reduziertem Infill eine hohe Verbindungsfestigkeit.
Vom Labor zur industriellen Anwendung
Für den industriellen Einsatz soll die Technologie auf unterschiedliche Materialien und Gewindegrößen übertragen und dazu passende Prozessbedingungen abgeleitet werden. Parallel wird die Integration in Fertigungsmaschinen untersucht. Ein erster hybrider Prototyp verbindet bereits additive Fertigung und thermo-mechanische Integration in einem Prozess.
Langfristig soll daraus eine durchgängige Prozesskette von der Konstruktion bis zur fertig integrierten mechanischen Schnittstelle entstehen. Die Erfassung geeigneter Applikationskennwerte schafft dabei die Grundlage für eine qualifizierbare Prozessführung.
Die Übertragung der Technologie zur Integration von konventionellen Maschinen- und Funktionselementen wird ebenfalls bereits untersucht.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen
Fürst, T.; Göhlich, D.: Innovative high-strength screw connections for additive manufactured thermoplastic components, Int. J. Adv. Manuf. Technol., Vol. 135, No. 9–10, pp. 4669–4682, Dez. 2024. https://doi.org/10.1007/s00170-024-14746-7
Fürst, T.; Göhlich, D; Kirchner, E.: A novel design for the integration of conventional rolling bearings into MEX-manufactured components, Proc. Des. Soc., Vol. 6, pp. 1911/19, Aug. 2026. https://doi.org/10.1017/pds.2026.10549
Patente und Patentanmeldungen
T. Fürst: Threaded sleeve for assembling with heat input in a component manufactured by FDM process, Patent No. EP 3913238B1, granted July 2, 2025; US 17/925,332 (US 2023/0193941), Notice of Allowance. https://globaldossier.uspto.gov/result/application/US/17925332/1
T. Fürst: Threaded sleeve with smooth inner surface for assembling with heat input in a component manufactured layer by layer by an additive manufacturing process, WO2025228917A1, published November 6, 2025. https://patentscope.wipo.int/search/en/WO2025228917 ; Reg./Nat.: EP/US in progress
3 Fragen an den Entwickler Dr. Thomas Fürst
über die Entwicklung der Technologie, erste Erkenntnisse und den Weg zur industriellen Anwendung.
Was hat Sie an den Ergebnissen besonders überrascht?
„Besonders interessant war für mich, dass sich auch bei reduziertem Infill eine hohe Verbindungsfestigkeit erreichen lässt. Eine hohe Bauteildichte ist damit nicht zwingend notwendig, um eine leistungsfähige Verbindung zu realisieren. Das bietet interessante Möglichkeiten für eine materialeffizientere Auslegung von MEX-Bauteilen.“
Welche Entwicklungsschritte stehen als Nächstes an?
„Als Nächstes wollen wir die Technologie in eine durchgängige Prozesskette von der Konstruktion bis zum fertigen Bauteil überführen. Einen ersten Schritt haben wir mit einem hybriden Prototypen bereits umgesetzt. Nun müssen wir die relevanten Prozessparameter und ihren Einfluss auf die Verbindungsqualität systematisch erfassen. Daraus sollen langfristig belastbare Konstruktionsregeln und -kataloge entstehen, die eine einfache und sichere Anwendung der Technologie ermöglichen. “
Was wünschen Sie sich von der Industrie für die weitere Entwicklung der Technologie?
„Ich wünsche mir vor allem konkrete Anwendungen und Anforderungen, an denen wir die Technologie gemeinsam weiterentwickeln und validieren können. Neben Anwendern und Maschinenherstellern würde ich mich besonders über Interesse von Verschraubungs- und Verbindungsexperten freuen.“
Vielen Dank für das Gespräch.
Kontakt
Dr.-Ing. Thomas Fürst
Oberingenieur und Leiter Forschungslabor / Arbeitsgruppe 3D Technologien Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme Fachgebiet Methoden der Produktentwicklung und Mechatronik Technische Universität Berlin
Telefon: +049 30 314 21231
E-Mail: t.fuerst@tu-berlin.de
(Quelle: Dr.-Ing. Thomas Fürst, Technische Universität Berlin)
Schlagworte
3D DruckAdditive FertigungAutomatisierungBauteileFügen von KunststoffenGewindeGewindehülsenJoining PlasticsJPKunststoffeThermoplastische KunststoffeVerbindungstechnik
