Mit 3D-Druck zum Rapid Manufacturing

Kleinserien aus CAD-Daten. Losgröße 1 für die industrielle Fertigung.

Bei Generativen oder Schichtbau-Verfahren erfolgt die Formgebung nicht durch Abtragen sondern durch Auftragen. Das Bauteil entsteht also durch den Auftrag in aller Regel von Schichten. Die Verfahren sind auch als Generative Fertigungsverfahren oder unter dem anfänglichen Begriff Rapid Prototyping bekannt. Als Oberbegriff setzt sich immer mehr die genormte Bezeichnung AM (Additive Manufacturing) durch. Voraussetzung für den Schichtbauprozess ist ein vollständiges 3D-CAD-Volumenmodell. Dieses Modell ermöglicht es dem Konstrukteur, das Bauteil entsprechend seiner Eigenschaften zu betrachten, es zu drehen, zu wenden, einzufärben und anderweitig zu manipulieren. 3D-Volumenmodellierung ist zwar ein wichtiger Aspekt in der modernen Produktentwicklung und bildet die Grundlage für Konstruktionen, Simulationen und die Fertigung aller Teile und Baugruppen in zahlreichen Branchen, Anwendungen und Produkten. Was aber nicht möglich ist, ist das habtische Erfahren des Bauteils. Also es Anfassen, Belasten oder einen Ein- und Ausbauversuch durchzuführen oder sonstige physikalische Tests.
Um mit den Methoden des Additive Manfacturing aus dem 3D-CAD-Volumenmodell ein reales physikalisches Modell zu erzeugen, wird das CAD-Modell mathematisch in viele gleich dicke (etwa 0,1 mm) Schichten zerschnitten (ge-sliced). Diese Konturinformationen werden der Generativen Fertigungsanlage (kurz Fabber oder auch Prototyper)  zugewiesen. Die Anlage generiert mit Hilfe der Konturdaten jeweils eine Scheibe des Bauteils inklusive der exakten äußeren und inneren Wandung, so dass Schicht für Schicht (von unten nach oben) ein dreidimensionales Bauteil entsteht. Die einfachste Methode besteht darin, die einzelnen Konturen aus Papier gleicher Stärke auszuschneiden und aufeinander zu kleben (Laminat Verfahren oder Layer Laminate Manufacturing) auch als Laminated Object Manufacturing (LOM) bekannt, was heute aber so gut wie nicht mehr eingesetzt wird. Die einzelnen Additive Manfacturing-Verfahren unterscheiden sich in der Art der Schichtgenerierung, in dem Material, aus dem das Bauteil gefertigt wird, in der Art der Verbindung mehrerer Schichten untereinander und darin, wie komfortabel der gesamte Prozess per CAD und Computer bedient werden kann.
Industrielle Additive Manufacturing-Verfahren
Alle heute industriell verfügbaren AM-Verfahren können fünf bzw. sechs Verfahrensfamilien zugeordnet werden. Die selektive Polymerisation im Gewand der Laser-Stereolithographie ist das älteste Verfahren und das Verfahren mit der höchsten Detaillierung, den besten Oberflächen und der höchsten Genauigkeit. Die Modelle entstehen durch lokale Verfestigung eines flüssigen Monomers mittels eines ultravioletten Laserstrahls (Photopolymerisation). Die Kontur des zu generierenden Bauteils wird durch eine Laser-Scanner-Einheit auf die Oberfläche eines Harzbades gezeichnet. Dort, wo der Laserstrahl auftrifft,  polymerisiert, also verfestigt sich das Harz. Nach der Verfestigung einer Schicht wird diese mit Hilfe einer Plattform in z-Richtung um eine Schichtdicke verfahren, eine neue Harzschicht aufgetragen und diese wie oben beschrieben polymerisiert. Auf diese Weise entsteht das Bauteil von unten nach oben. Das Bauteil wird in der Maschine zu cirka 95 Prozent polymerisiert und muss deshalb außerhalb der Maschine nachvernetzt und anschließend mit Lösungsmitteln gereinigt werden. Das Verfahren benötigt eine Stützkonstruktion, die vor dem Bau, meist automatisch durch eine Software angelegt wird. Nach der Fertigstellung des Bauteils muss diese manuell entfernt werden. Seit dem Jahr 2002 haben sich auch Polymer-Printverfahren, wie das der israelischen Firma Objet etabliert. Mittlerweile wurde das Unternehmen von Stratasys, nach eigenen Angaben Marktführer bei den 3D-Druckern, 2012 übernommen.
Der isaelische Hersteller Objet hat eine Drucktechnik mit der Bezeichnung Polyjet Matrix entwickelt. Diese ermöglicht es, ein Werkstück aus mehreren Materialien aufzubauen, die gleichzeitig verarbeitet werden. Die Geräte der beiden Hersteller werden unter anderem im industriellen Umfeld eingesetzt, etwa in der Luftfahrt- oder der Automobilindustrie. Bei denm Verfahren wird das Monomer (simultan zum benötigten Stützmaterial) mittels Multi-Düsen-Druckköpfen auf die Bauebene aufgespritzt oder gedruckt (Polymer-Jetting) und mittels einer mitlaufenden Hochleistungs-UV-Lampe unmittelbar verfestigt. Einer der Vorteile ist die geringe Schichtdicke und die Möglichkeit mehrere Materialien, auch in einem Prozess, zu verarbeiten.
Ein anderes verbreitetes Verfahren ist das Lasersintern. Dabei werden in einem Pulverbett angeordnete, typischerweise 20 bis 50 µm große Partikel (aus Kunststoff, Metall oder Keramik) durch einen Laserstrahl lokal aufgeschmolzen. Nach dem Abkühlen bildet sich dann eine feste Schicht. Nach der Generierung jeder Schicht wird das Pulverbett um eine definierte Schichtdicke abgesenkt und aus einem Vorratsbehälter eine neue Schicht Material aufgetragen. Danach wird mit Hilfe des Lasers die Geometrie der folgenden Schicht generiert. Das Verfahren arbeitet ohne Stützen, weil das Pulver das teilfertige Bauteil stützt. Das Bauteil muss nach dem Bauprozess von lose anhaftendem Pulver gesäubert werden.
War Anfangs nur eine geringere Detailgenauigkeit möglich, hat sich das über die Jahre drastisch verbessert. Die Bauteile sind aber stabiler und damit höher belastbar als die anderer Verfahren. Das Verfahren ist auch die Grundlage für das verwandte Selective Laser Melting (SLM) zur Verarbeitung von Metallen. Durch das vollständige lokale Aufschmelzen des Pulvers entstehen dichte Bauteile aus Bau-, Edel- und Werkzeugstählen, CoCr und Edelmetallen.
Beim Layer Laminate Manufacturing werden die Schichtkonturen mittels eines Lasers oder eines Schneidplotters aus Papier ausgeschnitten und automatisch aufeinander geklebt. Das bekannteste Verfahren ist das LOM (Laminated Object Manufacturing). Es wird ein einseitig mit thermisch aktivierbarem Klebstoff beschichtetes Papier in Rollenform eingesetzt. Das Papier wird über eine Bauplattform abgerollt und nicht benötigtes Papier auf der Gegenseite wieder aufgerollt. Mit Hilfe einer beheizten Rolle wird das Papier auf die Bauplattform oder auf das schon teilfertige Modell aufgeklebt. Die Kontur wird mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeschnitten. Um das gesamte Modell wird ein Rahmen ausgeschnitten, so dass das nicht zum Modell gehörige Papier abgehoben und aufgerollt werden kann. Nicht zum Modell gehörige, innerhalb des Rahmens liegende Teile werden in Karos geschnitten, damit sie später leichter zu entformen sind. Nach der Fertigstellung wird der gesamte Block mit dem darin liegenden Modell aus der Maschine herausgenommen und die nicht zum Modell gehörigen Teile abgelöst. Alternativ haben sich mit Schneidplottern arbeitenden Verfahren entwickelt. Wie schon angedeutet, ist dieses Verfahren nur wenig verbreitet. Einsatz findet es scheinbar aber in der Gießerei als sogenannte verlorene Form.
Beim Fused Layer Modeling (FLM) oder Extrusionsverfahren werden Modelle durch lokales Anschmelzen und anschließendem Extrudieren thermoplastischer Materialien erzeugt. Am bekanntesten ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei den Extrusionsverfahren wird ein meist in Drahtform vorliegendes thermoplastisches Material in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und durch diese auf das Bauteil extrudiert. Die Verfestigung und damit die Schichtbildung erfolgt durch Wärmeleitung beim Kontakt mit dem teilfertigen Modell. Das Verfahren ist grundsätzlich 3D-fähig. Neben reinen Rapid Prototyping Materialien sind auch Serienkunststoffe wie ABS mit näherungsweise serienidentischen Eigenschaften zu verarbeiten.

Mit 3D-Druck zum Rapid Manufacturing

Das AKF-Verfahren basiert auf dem Auftrag flüssiger Kunststoff-Tropfen.

Anders als den beschriebenen herkömmlichen Verfahren der additiven Fertigung, werden beim nach dem Maschinenhersteller genannten Arburg-Kunststoff-Freiformen (AKF) Standardgranulate wie beim Spritzgießen aufgeschmolzen. Der sogenante Freeformer fertigt das Bauteil schichtweise aus kleinsten Tropfen. Die Austragseinheit mit Düse bleibt starr, der Bauteilträger wird bewegt. Grundlage für diese Verfahren sind, wie bei allen anderen Verfahren auch, die 3D-CAD-Daten. Handelsübliche, kostengünstige Kunststoffgranulate sind die Grundlage beim AKF-Verfahren, was einen Vorteil gegenüber anderen Verfahren der additiven Fertigung ist. Das Granulat wird ähnlich wie beim Spritzgießen zunächst in einem Plastifizierzylinder aufgeschmolzen. Eine starre Austragseinheit mit spezieller Düse trägt kleinste Kunststofftropfen mittels hochfrequenter Piezotechnik in einem vorgegebenen Takt (60 bis 200 Hertz) schichtweise auf einen über drei Achsen beweglichen Bauteilträger auf. Der Bauteilträger wird so positioniert, dass jeder Tropfen auf die vorher berechnete Stelle gesetzt wird. So entsteht auf Basis von 3D-CAD-Daten (STL-Files) Schicht für Schicht das gewünschte dreidimensionale Bauteil. Der Bauraum des Zwei-Komponenten-Freeformers bietet Platz für Teile, die bis zu 154 x 134 x 230 Millimeter groß sind. Standardmäßig ist die Anlage mit einem über drei Achsen beweglichen Bauteilträger und zwei feststehenden Austragseinheiten ausgestattet. Somit kann eine zusätzliche Komponente verarbeitet werden, um beispielsweise ein Bauteil in verschiedenen Farben, mit spezieller Haptik oder als Hart-Weich-Verbindung zu erzeugen. Alternativ lassen sich Strukturen aus einem wasserlöslichen Stützmaterial aufbauen, um komplexe Bauteilgeometrien zu realisieren. Nach Entfernen der Stützstrukturen im Wasserbad können die Bauteile als Designmuster sowie für Funktions- und Montagetests genutzt werden. Als weitere Option kann eine Stützstruktur auch aus dem gleichen Material wie das Bauteil aufgebaut werden. Eine ausgedünnte Zwischenschicht mit gezielt erzeugten Sollbruchstellen sorgt dafür, dass sich die Stützstruktur später einfach mechanisch ausbrechen lässt. Diese Variante wird bevorzugt für Bauteile mit freistehenden Strukturen und klaren Kanten eingesetzt.

3D-Printing Verfahren
Hinter dem 3D-Printing-Verfahren verbirgt sich ein vom Massachusetts Institute of Technology patentiertes und lizenziertes Pulver-Binder-Verfahren. Durch entsprechende Wahl der Pulver-Binder-Kombination lassen sich grundsätzlich eine Vielzahl von Werkstoffen, so zum Beispiel neben Kunststoffen auch Keramiken oder Metalle, Food und Medikamente verarbeiten. Die Anlagen der Z-Corporation, Burlington, Massachusetts, USA, das Unternehmen gehört heute zur 3D Systems Corporation, Rock Hill, USA, verwenden Stärke- oder Gips-Keramik-Pulver, die mit Hilfe von wasserbasiertem Binder örtlich verfestigt werden. Zum Einspritzen des Binders wird ein handelsüblicher Ink-Jet-Druckerkopf verwendet. Die Anlage besteht ähnlich wie eine Sintermaschine aus zwei in einer Ebene angeordneten Kammern mit verschiebbaren Böden. Der eine Raum dient als Vorratszylinder. Sein Boden wird angehoben und die so bereitgestellte Pulvermenge mittels einer Walze über den um eine Schichtdicke abgesenkten Boden des zweiten Raumes des Bauraumes verteilt. Ein über dem Bauraum angeordneter handelsüblicher Druckkopf sprüht eine gefärbte Binderflüssigkeit entsprechend der Kontur der zu bauenden Schicht in die Oberfläche des Pulvers. Dort, wo der Binder mit Wasser in Berührung kommt, verklumpt das Modell, während die darum liegende Pulverschicht unverbunden bleibt und als Stützmaterial dient. Nach der Generierung einer Schicht wird der Boden des Bauraums um eine Schichtstärke abgesenkt und der des Vorratsraums entsprechend angehoben und der Prozess beginnt von neuem. Das fertige Modell wird mit Hilfe des verschiebbaren Bodens aus dem Bauraum herausgefahren und durch einen Staubsauger von losem Pulver befreit. Das entstandene Modell ist sehr zerbrechlich und muss mit Wachs oder Epoxydharz infiltriert werden. Insbesondere nach der Infiltrierung mit Epoxydharz ist das Modell sehr widerstandsfähig. Es kann spanend bearbeitet sowie gefüllert, geschliffen und lackiert werden. Ob eine solche Bearbeitung für ein relativ grobes Konzeptmodell sinnvoll ist, muss hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Die Anlage ist recht schnell. Der Baufortschritt für ein einfarbiges Teil liegt bei 50 mm pro Stunde bezogen auf die Bauteilhöhe. Auch in der Anschaffung und vor allen Dingen im Betrieb ist die Anlage  preiswert. Die Oberflächengenauigkeiten reichen für ein Konzept- und Prototypenmodell aus.
Schnelle Werkzeuge für verschiedene Produktions-Verfahren
Für die Herstellung von Massenprodukten braucht es jedoch nach heutiger Sicht immer noch Werkzeuge für die verschiedenen Produktions-Verfahren. Klar lassen sich mit den Additive Manufacturing-Verfahren schnell in wenigen Tagen Bauteile erzeugen, die auch noch günstig sind sowie eine hohe Gestaltungs- und Konstruktionsfreiheit haben, aber manchmal braucht es im Produktionsalltag mehr as nur eine kleine, individuellen Stückzahl. Der Begriff Rapid Manufacturing kann leider mit schnelle Fertigung nur unzureichend übersetzt werden. Im allgemeinen werden unter diesem Oberbegriff Methoden und Fertigungsverfahren zur schnellen und flexiblen Produktion von Teilen durch eine Fertigung ohne klassischen Werkzeugbau direkt aus den 3D-Daten zusammengefasst und nicht eine schnelle industrielle Produktion von größeren Stückzahlen, wie es die Bezeichnung suggeriert.

Mit 3D-Druck zum Rapid Manufacturing

Spritzgegossener Karabinerhaken aus POM, der in einem gedruckten Werkzeugeinsatz auf der Fakuma gefertigt wurde.

Trotzallem gibt es verschieden Ansaätze um den 3D-Druck und die Additive Fertigungsverfahren in Richtung Rapid Manufacturing einzusetzen. Auf der Fakuma 2015 zeigte Pöppelmann K-Tech, Lohne, ein neues Verfahren der additiven Fertigung, um besonders schnell funktionsfähige Muster für technische Spritzgussteile aus Kunststoff zu erstellen. Diese kommen zum Beispiel im Bereich der erneuerbaren Energien, im Maschinen- und Apparatebau, der Elektro- oder Automobilindustrie zum Einsatz. Um funktionale Prototypen anzufertigen, werden zwar bereits Muster mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens innerhalb weniger Tage erstellt. Doch der Trend in der generativen Fertigung geht hin zu belastbaren Mustern aus echtem Serienmaterial. Die Idee: Nicht das Bauteil selbst, sondern das Werkzeug dafür wird gedruckt. Dann kann es einfach in eine vorhandene  Werkzeug-Stammform eingesetzt und mit Spritzgussmaterial gefüllt werden. So entsteht in extrem kurzer Zeit ein voll funktionsfähiges Bauteil. Pöppelmann fertigt aktuell eine Halterung für den Sportartikelhersteller Sport-Lavit, um die Spraydose für das sogenannte Freistoßspray, mit dem der Schiedsrichter unmittelbar vor einem Freistoß eine weiße Linie auf den Rasen sprüht, an der Hose des Schiedsrichters zu befestigen. Um zu verdeutlichen, wie schnell man reagieren kann, hat man sich einer sportlichen Aufgabe gestellt. Hierbei wurde das Werkzeug mittels eines 3D-Druckers erstellt, in eine Maschine eingesetzt und Kunststoffmaterial in das Deckelwerkzeug gespritzt. Um die schnelle Umsetzung mittels Rapid Prototyping/Tooling zu beweisen, wurde eine spezielle Szene des Länderspiels Irland gegen Deutschland, das am Donnerstag vor der Messe stattfand und mit einem 1:0 für Irland in der 70. Minute ausging, in den Deckel eingraviert. Das Lohner Kunststoff-Technikunternehmen  schaffte es nachweislich, in der kurzen Zeit von Donnerstag bis Montag, diesen Deckel zu erstellen.
Auch Dr. Boy, Neustadt-Fernthal, zeigte auf der Messe in Friedrichshafen einen ähnlich Ansatz. Denn statt Bauteile im 3D-Verfahren herzustellen, geht der Spezialist für Spritzgießautomaten bis 1.000 kN Schließkraft einen anderen Weg. „Wir stellen die Werkzeugeinsätze für unsere Spritzgieß-Automaten auf einem 3D-Drucker her“ so Alfred Schiffer, Geschäftsführender Gesellschafter von Boy. „Mit den so kostengünstig gefertigten Einsätzen lassen sich je nach eingesetztem Material Prototypen und Kleinstserien bis zu 500 Teilen fertigen. Fast alle Materialien – selbst glasfaserverstärkte Kunststoffe – können so verarbeitet werden.“ Auf diese Weise entstehen Spritzgießteile, die die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweisen wie bei der Fertigung mit herkömmlichen Spritzgießwerkzeugen. Dies ist mit der additiven Bauteilfertigung auf 3D-Druckern nicht möglich. Auf dem Messestand fertigte ein 3D-Drucker von Stratasys in kürzester Zeit die Werkzeugeinsätze aus speziell auf den Spritzguss ausgelegte Werkstoff Rigur, die dann direkt in das Stammwerkzeug der kompakten Spritzgießmaschine Boy XS eingebaut werden konnten. Der hierbei eingesetzte 3D-Drucker Objet 30 Pro von Stratasys erreichte eine Auflösung von 600 dpi in X-/Y-Richtung und 900 dpi in der Z-Achse, was eine glatte Oberfläche ermöglichte. Gefertigt wurden funktionsfähige Kunststoff-Karabinerhaken aus POM. Nach den Angaben des Herstellers hielt ein Werkzeug zwischen 350 und 700 Schuss. Wird eine größere Serie benötigt, druckt man eine weitere Form, was in etwa knapp über zweieinhalb Stunden dauert. Die Materialkosten liegen bei etwa 30 EUR für die Karabinerform. Rapid Manufacturing, also die schnelle Fertigung ist mittels der Additive Fertigungsverfahren sicherlich noch nicht möglich, da das Material hierfür Grenzen setzt. Der Umweg über gedruckte Werkzeugeinsätze ist aber bereits heute möglich, wie es auf der Fakuma gezeigt wurde.