Additive Fertigung ist schnell, flexibel und wirtschaftlich

Wenn es um kleine Aufträge bis zu Losgröße 1 geht, sind additive Verfahren – im Bild ist ein FDM-Gerät zu sehen – eine kosteneffiziente Alternative zum Spritzguss oder zum mechanischen Drehen oder Fräsen von Bauteilen. (Bildquelle: Igus)

Statt sich allein auf den Prototypenbau zu konzentrieren, kommen additive Fertigungsverfahren zunehmend in der Serienfertigung zum Einsatz. Das heißt nicht, dass der Spritzguss bald abgelöst wird. Aber additive Verfahren ermöglichen es im Gegensatz zum Spritzguss, Bauteile herzustellen, die Hohlräume oder Hinterschnitte aufweisen. Außerdem benötigen additive Verfahren kein Werkzeug, wodurch sie sich für die Fertigung von Kleinserien bis hinunter zu Losgröße 1 eignen. Das Kölner Unternehmen Igus, Kunststoffentwickler und -verarbeiter mit Fokus auf Gleitlager und Energieketten, hat mit diesem Gedanken im Kopf vor rund zwei Jahren begonnen, sich mit additiver Fertigung zu beschäftigen. Sein Geschäft bringt es nämlich mit sich, dass ein Kunde zwei Gleitlager bestellt, im Wert von wenigen Euro. Dafür hat dieser aber vielleicht spezielle Wünsche bezüglich Innengeometrie. „Bis vor wenigen Jahren konnten wir in diesen Fällen nur Teile anbieten, die wir aus Halbzeugen gefräst haben“, erläutert Tom Krause, Produktmanager Iglidur Tribo-Filament bei Igus. Er ist in seinem Unternehmen der Experte für additive Fertigung. „Darum haben wir uns dem 3D-Druck gewidmet. So können wir die kleinen Aufträge für Sonderteile genauso gut bedienen wie die großen.“ In dieser Hinsicht ist 3D-Druck – zum Einsatz kommen derzeit FDM-Geräte – eine kosteneffiziente Alternative zum mechanischen Drehen oder Fräsen von Bauteilen. Krause erläutert die Möglichkeiten der additiven Verfahren: „Wenn ich zum Beispiel auf der Innenseite eine Kissenstruktur aufbringen möchte, um die Gleitreibung zu senken, kann man das mit keinem anderen Verfahren herstellen. Ein anderes Beispiel steckt in unserem Roboterbaukasten. Für diesen stellen wir einige Teile mit additiven Verfahren her. Darunter ist ein Schneckenrad. Wenn ich dessen komplexe Zahngeometrie fräsen wollte, würde ich einen speziellen Fräser benötigen, der mich allein schon 5.000 EUR kostet. Wenn man aber nur zwei Stück braucht, ist natürlich niemand bereit, diese Kosten allein für das Werkzeug zu bezahlen. Im 3D-Druck dagegen brauche ich kein Werkzeug.“ Dadurch sind die additiven Verfahren zumindest in solchen speziellen Anwendungsfällen schon heute wirtschaftlich. Das wird nach Meinung von Krause in Zukunft häufiger der Fall sein: „Ich könnte mir gut vorstellen, dass der 3D-Druck die mechanische Fertigung ein Stück weit verdrängen wird.“ Gerade bei geringen Stückzahlen. „Da kann es schon öfter vorkommen, dass der 3D-Druck kosteneffizienter und vor allem schneller ist als klassische Herstellungsverfahren, wie Fräsen oder Drehen.“

Additive Fertigung ist schnell, flexibel und wirtschaftlich

Tom Krause, Produktmanager Iglidur Tribo-Filament bei Igus, Köln, prüft einen fertig montierten 3D-Drucker. Die weißen Zahnräder sind im FDM-Verfahren entstanden. (Bildquelle: Igus)

Folgerichtig bietet das Unternehmen seit Anfang des Jahres einen Online-3D-Druckservice an. Den nehmen die Kunden auch gut an. „Die Drucker sind ausgelastet“, sagt Krause. Zu den vorhandenen Geräten gehört ein Freeformer von Arburg, Loßburg, der zwei Materialien zugleich verarbeitet, und fünf kleinere Drucker, die das FDM-Verfahren verwenden. Einer davon, ein Modell der Firma Evo-Tech, Schörfling, Österreich, kann ebenfalls zwei Materialien auf einmal verarbeiten. Zur Auslastung der Geräte bei Igus tragen neben Kundenaufträgen auch eigene Versuche bei: „Oft fertigen wir damit Muster von neuen Teilen für einen Kunden an, bevor wir es mit Spritzguss umsetzen“, erklärt Krause. Manchmal geht die Initiative vom Vertrieb aus, der vorschlägt, Teile für bestimmte Anwendungen per 3D-Druck herzustellen. Darüber hinaus experimentiert Igus mit neuen Geometrien, die neben dem Gleitwiderstand weitere Funktionen verbessern. „So kann man auch überlegen, ganz andere Strukturen zu machen, damit der Schmutz besser abgeführt wird oder um das Spiel des Gleitlagers auf der Welle zu verringern“, führt Krause aus.

Additive Fertigung ist schnell, flexibel und wirtschaftlich

Bevor ein neuer Werkstoff auf den Markt kommt, testet ihn das Unternehmen ausführlich. Dazu kommen die eigenen FDM-Geräte zum Einsatz, die die Testteile herstellen. (Bildquelle: Igus)

Werkstoffe für additive Verfahren

Ein Knackpunkt bei der additiven Fertigung sind die Werkstoffe. Deren Angebot wächst zwar stetig, gegenüber der breiten Palette an Materialien für den Spritzguss fällt die Auswahl an Filamenten und Pulvern für FDM, SLS und Co. allerdings sehr bescheiden aus. Um an diesem Zustand etwas zu ändern, bringt Igus seine 30-jährige Expertise im Entwickeln von Werkstoffen ein. Das Unternehmen hat inzwischen mehr als 50 Werkstoffe unter dem Namen Iglidur auf den Markt gebracht. Seit gut zwei Jahren gehören dazu auch sechs Filamente für das FDM-Verfahren und ein Pulver für SLS, die jeweils über besonders gute Reib- und Verschleiß­eigenschaften verfügen. Das Pulver sowie zwei Filamente, von denen eines chemikalienbeständig ist, kamen zur diesjährigen Hannover Messe auf den Markt. „Bei der Rohstoff­entwicklung für den 3D-Druck war die Schwierigkeit, den Besonderheiten des Verfahrens gerecht zu werden. Beim Lasersintern mit Pulver gehören dazu Korngröße und Fließfähigkeit“, erklärt Krause. Im Zentrum steht dabei die Prozesssicherheit. Entsprechende Versuche im Rahmen des Beta-Tests liefen ab Oktober 2015 in diversen Anwendungen. „Beim FDM-Verfahren geht es dagegen sehr viel schneller, weil der Prozess viel einfacher ist“, meint Krause.

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Die Verschleißrate von für FDM gängigem ABS, ist sie von Iglidur J260-PF bis zu fünfzigmal niedriger, das Igus-Filament hält also wesentlich länger. Die Grafik zeigt das Ergebnis von Gleitlagerversuchen. (Bildquelle: Igus)

In jedem Fall testet das Unternehmen einen neuen Werkstoff ausführlich, bevor er auf den Markt kommt. Dazu verwendet es die gleichen Tests, die es bei spritzgegossenen Bauteilen anwendet, beispielsweise bei Gleitlagern. Dazu werden mehrere Gleitlager im hauseigenen Testlabor auf Wellen montiert, die etwa aus Edelstahl oder gehärtetem und geschliffenen Stahl bestehen. Anschließend werden sie mit unterschiedlichen Gewichten belastet, um die variantenreiche reale Beanspruchung zu simulieren. Dann wird die Welle auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt, die konstant bleibt. Regelmäßig kontrolliert ein Techniker das Gleitlager auf Abrieb oder Brüche und erfasst die Testdaten.

Ergänzend führt das Unternehmen systematische Betatests durch – wie auch bei dem erwähnten neuen SLS-Pulver. Im Rahmen von Entwicklungsprojekten mit ausgewählten Kunden ergänzen sie die Tests im Labor. Dazu erhalten die Kunden Vorserien-Modelle, die sie unter dauernder Beobachtung mit Igus-Technikern im laufenden Betrieb ausprobieren. Auf diese Weise erhält der Anwender ein maßgeschneidertes Produkt und der Hersteller bekommt neben objektiven Labordaten auch welche aus dem realen Industrie­alltag.

Additive Fertigung ist schnell, flexibel und wirtschaftlich

„Wenn ich das Schneckenrad fräsen wollte, würde mich der Fräser allein schon 5.000 EUR kosten, weil das Bauteil so eine komplexe Zahngeometrie hat“, erläutert Tom Krause, Igus, Köln.
(Bildquelle: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Krause nimmt zwei Gleitlager in die Hand und erzählt: „Das ist jetzt ein Lineargleitlager, aus unserem Standard­material Iglidur J, im Spritzgussverfahren hergestellt. Das haben wir in unserem Labor getestet: Es ist 700 km gelaufen, bis es Verschleißerscheinungen zeigte. Dann haben wir das Gleitlager aus einem ABS gedruckt. Das lief nur 250 km und hatte bereits einen sehr, sehr starken Verschleiß auf der Innenseite.“ An einer Stelle ist es ausgeschlagen, sicher hätte es nicht mehr lang gedauert, bis die Wand ganz durchgebrochen wäre. Er nimmt ein drittes Gleitlager zur Hand und fährt fort: „Dann haben wir das Gleitlager aus Iglidur I180 gedruckt. Auch dieser Test lief 700 km, und da sehen wir noch keinen optischen Verschleiß.“ Anschließend führte das Unternehmen systematische Verschleißtests durch, um den Abrieb der Gleitlager pro Kilometer Laufstrecke exakt zu bestimmen. Dabei bleiben die Teile so lange im Testlabor, bis sie verschlissen sind. Das liefert dem Unternehmen Daten, um die 3D-gedruckten oder lasergesinterten Bauteile untereinander oder jeweils mit den konventionell hergestellten zu vergleichen. Gegenüber ABS ist die Verschleißrate von Iglidur J260-PF bis zu fünfzigmal niedriger, das Igus-Filament hält also wesentlich länger. Krause ergänzt: „Das ist aktuell der einzige Werkstoff, den wir im Spritzguss bei Gleitlagern oder Halbzeugen und zugleich als Filament für den 3D-Druck anbieten.“

Vergleiche mit dem spritzgegossenen Gleitlager zeigen, dass dessen Verschleißrate nochmal um rund 11 Prozent niedriger ist als die des 3D-gedruckten Teils. Der Einsatz des Werkstoffes im Spritzguss und im FDM in Verbindung mit den Testergebnissen ermöglichen es den Anwendern, ein Bauteil zunächst 3D-drucken zu lassen und damit Versuche zu fahren. Haben sie die optimale Geometrie ermittelt, lassen sie die benötigte Menge für den Serieneinsatz per Spritzguss fertigen. „Der Werkstoff Iglidur J260 hat nochmal wesentlich bessere Verschleißeigenschaften als der speziell für das FDM-Verfahren entwickelte Werkstoff Iglidur I180. Andererseits ist Iglidur J260 anspruchsvoller in der Verarbeitung und erreicht im 3D-Druck nicht so hohe Festigkeiten wie Iglidur I180“, fügt Krause hinzu. Iglidur J260 erforderte es dagegen, dass Krause und seine Kollegen den FDM-Prozess an den Werkstoff anpassten, damit das Verfahren damit funktionierte.

Additive Fertigung ist schnell, flexibel und wirtschaftlich

Das Unternehmen experimentiert mit neuen Geometrien, die neben dem Gleitwiderstand weitere Funktionen verbessern. „So kann man auch überlegen, ganz andere Strukturen zu machen, damit der Schmutz besser rausfließen kann oder um das Spiel des Gleitlagers auf der Welle zu verringern“, erläutert Tom Krause, Igus, Köln.
(Bildquelle: Igus)

Welches additive Verfahren ist das richtige?

Aber welches additive Verfahren eignet sich für welchen Zweck am besten? Das FDM-Verfahren ist ideal, wenn man beispielsweise ein Bauteil schnell benötigt. „In der Regel ist es beim Lasersintern so, dass es mindestens zwei Tage dauert, bis ich das Teil wirklich in der Hand habe, weil ich zuerst warte, bis ich den ganzen Bauraum mit Bauteilen voll habe. Das Herstellen dauert dann schon mal 20 Stunden. Anschließend muss das Ganze noch einen Tag abkühlen. Bei FDM dagegen kann ich jedes Bauteil einzeln drucken und danach direkt nehmen“, erklärt Krause. „Außerdem kann man bei FDM die Teile schon für relativ wenig Geld selbst drucken.“ Ein brauchbarer Drucker ist mittlerweile ab 500 EUR zu bekommen. Lasersinter-Geräte kosten dagegen um die 200.000 EUR. Für erste interne Versuche eignen sich FDM-Geräte also durch den erheblich geringeren Kaufpreis besser. Bei SLS haben die Bauteile im Vergleich zu FDM aber gleichmäßigere Festigkeiten, unabhängig von der Baurichtung. Denn bei FDM-Bauteilen sind die Bereiche zwischen den einzelnen Schichten Schwachstellen. „In der Regel habe ich hier nur eine halb so hohe Festigkeit wie bei einem Spritzgussteil. Im restlichen Bauteil sind es etwa Zweidrittel. Lasergesinterte Bauteile erreichen in allen Richtungen Festigkeiten von deutlich über Dreiviertel der Werte eines Spritzgussteils“, erläutert Krause. Außerdem ist SLS wesentlich genauer. Je nach Anwendung und Gerät lassen sich mit SLS Genauigkeiten bis in den Hundertstel-Millimeter-Bereich erzielen. Daher ist dies das Verfahren der Wahl, wenn die Prioritäten auf Genauigkeit und Festigkeit liegen.

Additive Fertigung der Zukunft

So ist der Stand heute. Aber wie geht es weiter mit den additiven Verfahren? Machen sie dem Spritzguss auf lange Sicht Konkurrenz? Dazu hat Krause eine klare Meinung: „Kostentechnisch wird die additive Fertigung wahrscheinlich nicht so schnell wettbewerbsfähig zum Spritzguss sein, gerade wenn ich an siebenstellige Stückzahlen denke.“ ­Zudem haben die Geräte- und Rohstoffhersteller für ­additive Verfahren noch viel Arbeit vor sich. Krause nennt die ­Prozessstabilität der aktuellen FDM-Drucker. Dazu kommen Materialvielfalt, Präzision und Geschwindigkeit.

David Löh

Über den Autor

David Löh

ist Redakteur des Plastverarbeiter.
david.loeh@huethig.de