3D-Druck eignet sich für ­Prototypen und die Serie

Ein Vorteil von Rapid-Anwendungen, wie dem FDM-3D-Druck, ist die Möglichkeit, sehr schnell, kostengünstig und platzsparend Ersatzteile herzustellen, beispielsweise ein Zahnrad. (Bildquelle: Fabbmatic)

Dreidimensionale Herstellungsverfahren sind ein Segen für die Desgin-Industrie. Durch kurze Entwicklungs­zeiten für das Produktdesign gelangen Produkte schnell auf den Markt. Das realitätsnahe Prüfen von Design, Ergonomie und technischer Funktion der Prototypen ermöglicht ein frühzeitiges Optimieren des Produkts. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, ein neues Produkt früh öffentlich zu präsentieren, um Vertriebs- und Marketing­arbeit zu unterstützen. Es entstehen mittlerweile auch Bauteile für die Medizin, Elektrotechnik, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt oder für die Umwelttechnologie mithilfe des 3D-Drucks. Auch Anwendungen mit speziellen Anforderungen eignen sich für additive Verfahren. Beispielsweise lässt sich eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Bauteile im Bereich der Elektrotechnik durch Beigeben wärmeleit­fähiger Additive erreichen. Allgemein betrachtet gibt es eine ganze Reihe von industriell nutzbaren Vorteilen von 3D-Druck im Vergleich zu klassischen Herstellungsverfahren wie Spritzgießen oder Extrudieren.

3D-Druck im Serieneinsatz

So lassen sich mit gedruckten Musterteilen unter Anwendung nachgeschalteter Verfahren, wie dem Vakuum­gießen oder Ausschmelzverfahren, Produkte in Serie herstellen. In allen möglichen Farben und Formen. Hierzu wird zunächst der Prototyp beziehungsweise die Urform auf einer Proto­typing-Anlage hergestellt, die Verfahren wie die Stereo­lithografie, Polyjet-Verfahren, selektives Laser­sintern oder Laserschmelzen verwendet. Anschließend wird das Urmodell mit Flüssigsilikon abgegossen und ausgehärtet. Als nächster Schritt folgt das Entformen des Urmodells. Dadurch erhält der Anwender ein mehrteiliges Formwerkzeug aus Silikon. Jetzt ist er in der Lage, mit den Silikonformen, einer Vakuumgießmaschine und Zweikomponentengießharzen in Serie zu produzieren. So lassen sich Teile mit Geometrien herstellen, die mit dem Spritzgießverfahren nicht möglich sind, beispielsweise Teile mit Hinterschnitten. So produziert ein Anwender aus einer Silikonform bis zu 20, in manchen Fällen bis zu 100 Abgüsse. Der Prozess lässt sich noch weiter führen: verwendet man wachsartige Werkstoffe anstelle von Gießharzen, können Ausschmelzverfahren nach­geschaltet und so hochfeste Formen aus gesinterten Materialien produziert werden. Weitere positive Aspekte sind neben der Herstellung komplexer Geometrien die kurze Fertigungszeit vom Urmodell bis zur Serienfertigung von etwa sechs bis acht Tagen, die große Material- und Farbenvielfalt, die Nachbearbeitungsmöglichkeiten sowie die hohe Form- und Maßgenauigkeit. Nach einer Oberflächennachbehandlung erfüllen die Teile auch die Ansprüche und Anforderungen von Serienteilen. Ebenso ist das Herstellen von Hybridbauteilen möglich, etwa Hart-Weich-Kombina­tionen.

3D-Druck eignet sich für ­Prototypen und die Serie

Beim Vakuum­gießen erstellt der Anwender zunächst einen Prototypen mittels 3D-Druck. Anschließend gießt er diesen mit Flüssigsilikon ab und lässt ihn aushärten. Dadurch erhält der Anwender ein mehrteiliges Formwerkzeug aus Silikon. (Bildquelle: FH Kaiserslautern)

Schneller Werkzeugbau: Rapid Tooling

Neben den erwähnten Fertigungsverfahren Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing existiert das Rapid Tooling. Diese Technologie dient dazu, Werkzeuge und Formeinsätze mittels generativer Fertigung herzustellen. Eine Anwendung ist das Space Puzzle Molding (SPM). Es ist ein kombiniertes Verfahren aus Rapid Tooling und Rapid Prototyping, das Kunststoff-Bauteile aus Original-Material und in Serienqualität in Stückzahlen liefert, die in die Hunderte und sogar Tausende gehen können. SPM ist weltweit das schnellste Rapid-Tooling-Verfahren, um Werkzeuge für komplexe Bauteile im Spritzgießverfahren herzustellen. Dazu werden die formgebenden Einsätze aus Aluminium hergestellt. Zum Spritzgießen kommt ein Formrahmen zum Einsatz, in die der Anwender die Formeinsätze von Hand einlegt.

Das SPM-Baukastensystem ermöglicht schnelle sowie einfache Werkzeugwechsel zwischen kleineren und größeren Spritzmaschinen. Die Preise für eine Form sowie deren Lieferzeit sind im Vergleich zu einer konventionellen Spritzgussform um bis zu 50 Prozent niedriger. Allerdings steigt der Teilepreis durch das Handentformen. Nachteilig ist zudem die Größe: So lassen sich bisher lediglich Formeinsätze von maximal 200 x 400 x 800 mm realisieren [1]. Beispiele für Projekte mit dieser Technologie sind Gehäuse für Touch-Screen-Displays, einer Computer-Waage aus einem ABS-PC-Blend oder eine Gehäuse-Abdeckung für einen Resonanz-Scanner an einem Tandem-Mikroskop. Entwickler und Exklusiv-Vertreiber dieser Technologie ist das Unternehmen Protoform K. Hofmann, Fürth.

CO2-Fußabdruck und Qualitätsfrage

In einer Zeit, in der energiesparende und umweltfreundliche Herstellungsverfahren sowie recyclingfähige Produkte an Bedeutung gewinnen, punktet die additive Fertigung. Denn während das Spritzgießen enorme Kosten verursacht und viel Energie benötigt, können Verfahren wie das dargestellte Vakuumgießen unter Umständen effizienter zum gewünschten Ergebnis führen. Ob sich ein Produkt letztlich in gleicher Qualität mit den strengen Auflagen der Automobilhersteller produzieren lässt, ist in der Praxis noch nicht belegt. Es gibt aber bereits einige Anfragen von Automobilherstellern für Unternehmer sogenannter Crowdfunding-Projekte, welche 3D-Drucker-Projekte ins Leben gerufen haben und damit ehrgeizige Ziele verfolgen.

3D-Druck eignet sich für ­Prototypen und die Serie

Beim Vakuumgießen erstellt der Anwender zunächst einen Prototypen mittels 3D-Druck. Anschließend gießt er diesen mit Flüssigsilikon ab und lässt ihn aushärten. Dadurch erhält der Anwender ein mehrteiliges Formwerkzeug aus Silikon. Jetzt ist er in der Lage, mit den Silikonformen, einer Vakuumgießmaschine und Zweikomponentengießharzen in Serie zu produzieren.
(Bildquelle: Starprototype)

Vorteile der FDM-Technologie

Ein weiterer Vorteil von Rapid-Anwendungen, wie dem FDM-3D-Druck, ist die Möglichkeit, schnell, kostengünstig und platzsparend Ersatzteile herzustellen. Dies nutzt beispielsweise die amerikanische Weltraumbehörde Nasa. So befindet sich auf der Raumstation ISS ein FDM-Drucker, um bei Bedarf schnell Ersatzteile herzustellen. Diese muss die Nasa dann nicht für viel Geld von der Erde aus verschicken und die Astronauten müssen statt mehreren Tagen oder Wochen nur einige Stunden warten. Für das Drucken verfügen die Astronauten über Kunststoffschmelzdrähte, die die Anforderungen im Weltraum erfüllen [2].

Außerdem gibt es auf dem Markt erhältliche FDM-Drucker, die sich zum Teil selbst herstellen, eine echte Serienproduktion also. So besteht das Druckermodell Mendel-Max FM Pro des Anbieters Fabbmatic, Pirmasens, unter anderem aus ca. 50 gedruckten Einzelteilen. Hierzu zählen Zahnräder, Ritzel, Halterungen, Spannelemente und Gehäuseteile. Allerdings dienen FDM-Bauteile nach wie vor in erster Linie dazu, Produkteigenschaften zu evaluieren, und sind somit in aller Regel Einzelmodelle für Testzwecke.

Möglichkeiten und Grenzen des FDM-Drucks

Die Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich Form und Geometrie bei FDM-Anwendungen sind nahezu unbegrenzt. So herrscht große Konstruk­tionsfreiheit bei 3D-CAD-Modellen. Jedoch gibt es Formen, die sich mittels FDM nicht umsetzen lassen. Hierzu zählen frei schwebende Geometrien. Bei diesen hat der Drucker kein Stützmaterial, auf das er die Schichten aufbauen könnte. Wohingegen sich Hinterschneidungen aufgrund der schichtförmigen Verfahrenstechnik beim FDM/FFF problemlos fertigen lassen. Auch das Drucken von Hohlkörpern, Formen und Figuren in Körpern und komplexen Geometrien ist möglich.

Ebenso lassen sich mittels FDM funktionelle Bauteile aus technischen Kunststoffen herstellen. Beispielweise benötigt das Produzieren von Zahnrädern mittels Spritzgießverfahren eine lange Prozesskette sowie Maschinen und Arbeitskräfte. Mittels FDM und passendem Filament, in diesem Fall zum Beispiel POM, entstehen die Zahnräder ohne diese lange Prozesskette in wesentlich kürzerer Zeit zu einem erheblich günstigeren Preis. Eine anschließende Serienproduktion könnte folgen. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass das gedruckte Zahnrad nur bestimmte Anforderungen erfüllt, oder dass der Anwender im ungünstigsten Fall die Anforderungen mittels FDM überhaupt nicht erreicht. Auch eine Massenproduktion mithilfe von FDM-Druckern unter Zeitdruck und engen Lieferterminen ist derzeit nicht möglich. Denn ein FDM-Drucker erreicht bei Weitem nicht die kurzen Zykluszeiten und Auswurfraten schnell arbeitender Spritzgießmaschinen.

Ausblick: Verbundwerkstoffe im FDM-Verfahren

Untersuchungen zeigen, dass es möglich ist, unter Berücksichtigung der Anforderungen an Extrusions- und FDM-Prozesse, Verbundwerkstoffe in FDM-Verfahren zu verarbeiten. Bei neuen Entwicklungen werden Werkstoffe, wie PA6, mit Glas- oder Alu­miniumkugeln gefüllt, um deren Festigkeit zu erhöhen. Auch Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften, wie der sterilisierbare Werkstoff ABS Si (P500) für medizinische Anwendungen, lassen sich mittlerweile verwenden. Ebenso kommen Wachsfilamente zum Einsatz, etwa FDM Titan von Stratasys, Rheinmünster, um metallische Prototypen in einem anschließenden Feingießprozess herzustellen [5].

Quellverweise

[1] Protoform K. Hofmann
[2] NASA
[3] c´t wissen: 3D-Druck. 2014 Heise Zeitschriften Verlag
[4] Local Motors
[5] Seefried, M.; Siegl, M.: Rapid Technologien – Status Quo. Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
[6] Designtech-Solution

Über den Autor

Sebastian Baumgärtner

ist Mitarbeiter von Fabbmatic, Pirmasens.

sebastian.baumgaertner@fabbmatic.com