Additive Fertigung auf Papiersubstraten

Die Weiterentwicklungen von Materialien und Verfahren sowie eine verbesserte Prozessstabilität machen den verstärkten Einsatz Additiver Fertigungsverfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen in (Klein-)Serien möglich. Der Trend zur Produktindividualisierung (Mass Customization) und die damit verbundenen geringen Stückzahlen unterstützen den wirtschaftlichen Einsatz solcher Technologien. Somit wird nicht mehr nur die schnelle Herstellung von Anschauungsmustern und (teilfunktionsfähigen) Prototypen, sondern auch die Fertigung einsatzbereiter Funktions- und Strukturbauteile zu einem wichtigen Anwendungsfeld additiver Fertigungsverfahren.

Additive Fertigung individualisiert Papier-Verpackungen

Das Streben zur Produktindividualisierung ist auch in der Verpackungsindustrie schon immer ein wichtiger Innovationstreiber gewesen, um dem Kunden produktspezifische Lösungen anzubieten. So steigt die Nachfrage unter anderem nach individualisierten Faltschachteln, die aus funktionalen, lokalen, saisonalen oder werbetechnischen Gründen sowie aktuellen Trends herrührt. Dieser Trend ist mit kleinen Losgrößen verknüpft und analog bei weiteren papierbasierten Verpackungen klar zu erkennen. Dadurch geraten Verpackungsmittelhersteller und Verpacker zunehmend unter wirtschaftlichen Druck, auf den die Industrie reagieren muss. Erste Schritte in diese Richtung sind durch die aktuellen Entwicklungen auf dem Maschinenmarkt zu erkennen. So werden mit kürzeren Maschinenstillstandzeiten und schnellerem Fertigungsvorlauf vermehrt kleinere und flexiblere Produktionseinheiten verfügbar. Die Lasertechnologie nimmt hier eine wichtige Rolle ein, indem sie eine höhere Arbeitseffizienz und Flexibilität im Fertigungsprozess ermöglicht.

Polymere Strukturen auf Karton

Völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich Produktindividualisierung und Designfreiheit eröffnen sich durch den Ansatz, der in dem gemeinsamen IGF-Vorhaben 19315 N der Papiertechnischen Stiftung (PTS) und des Kunststoff-Zentrums SKZ erforscht wird. Durch das Aufbringen von polymeren Strukturen auf den Karton mit 3D-Druck ist es möglich, in der Verpackungsindustrie neue Maßstäbe zu setzen. Einerseits können durch das Aufbringen von Verstärkungsstrukturen die Materialschwächungen aufgrund der Laserstrukturierungen kompensiert werden. Andererseits eröffnen die erweiterten Freiheitsgrade völlig neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Kleinserien für High-Endprodukte und erschließen neue Märkte. So lassen sich beispielsweise folgende innovative Funktionen in die Verpackung integrieren:

• Schmuck- oder Siegelapplikationen durch (farbige) Kunststoffe
• Integration von „Scharnieren“ oder Dichtflächen durch Elastomere
• Polymerapplikationen als Stapelhilfen, Stoßkanten, Anti-Rutsch-Noppen, Griffe, Anschlüsse, Adapter etc.
• Neue Auftragsstrategien von Schmelzklebern
• Integration haptischer Elemente, wie z.B. einer Blindenschrift

Entwicklung biokompatibler Papier-Polymer-Komposite

Abb. 2. Oberflächenstruktur eines leicht pigmentierten Faltschachtelkartons.

Für die Umsetzung derartiger Funktionen sind aber noch einige, grundlegende Fragestellungen zu klären. Daher befasst sich dieses Forschungsvorhaben mit der Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen für die Produktion von biokompatiblen Papier-Polymer-Kompositen mit Additiver Fertigung. Das industriell bereits etablierte Strangablegeverfahren (Fused Deposition Modeling (FDM) bzw. Fused Filament Fabrication (FFF) wird genutzt, um gezielte Polymerapplikationen auf Papiersubstraten zu realisieren. Da es sich bei Papier entgegen den üblicherweise genutzten Bauplattformen um ein inhomogenes, oberflächenstrukturiertes und poröses Material handelt, sind zunächst fundamentale Fragestellungen zum Benetzungs- und Adhäsionsverhalten zu klären. Gerade die reversible Feuchteaufnahme von Papier ist dabei ebenso zu berücksichtigen wie die jeweiligen Fertigungs- und Nutzungsklimate.

In ersten Versuchen wurden verschiedene Stützstrukturen im Strangablegeverfahren auf Faltschachtelkarton gedruckt, um grundlegende Erkenntnisse über das Verarbeitungs- und Haftungsverhalten von Kunststoffen auf Papiersubstraten zu gewinnen. Hierzu kam der selbstentwickelte 3D-Drucker Triple F des SKZ zum Einsatz, der sich unter anderem durch eine Bauraumbeheizung bis 200 °C, einen Druckkopfwechsler für drei Druckköpfe und einen großen Bauraum (300 x 450 x 350 mm³) auszeichnet.

Abb. 3. pigmentierter Faltschachtelkarton mit aufgedrucktem PLA-Filament.

Der biologisch abbaubare Kunststoff Polymilchsäure (PLA) wurde bei einer Verarbeitungstemperatur von 220 °C auf das Substrat aufgebracht. Bereits hier zeigte sich, dass die Beschaffenheit der Papieroberfläche, inklusive ihrer verschiedenen Veredelungsmöglichkeiten, ein maßgeblicher Faktor ist. In Abbildung 2 ist die Oberflächentopographie eines leicht pigmentierten Faltschachtelkartons zu sehen, die mit optischer Focusvariation (Alicona IFM) aufgenommen wurde. Dabei gibt es eine gute Adhäsion zum Pigment, wobei die Haftungseigenschaften vom Pigment zum Papier den limitierenden Faktor darstellen. Dieser Umstand wird in Abbildung 3 erkennbar. Es handelt sich um eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme vom Übergang des Papieres zum aufgedruckten PLA-Rahmen.

Praxis-orientierte Dimensionierung

Neben dem Adhäsionsverhalten und der Dimensionsstabilität wird in weiterführenden Untersuchungen die mechanische Stabilität von rippenverstärkten Faltschachteln untersucht. Der Karton muss in Abhängigkeit von Konstruktion und Grammatur des zugrundeliegenden Substrates den einwirkenden Kräften widerstehen. Als Maß wird hier der sogenannte Stapelstauchwiderstand (Box-Compression-Test) herangezogen. In Kombination mit Dehnfeldanalysen und weiteren Untersuchungen lassen sich zeitliche Deformationsverläufe für mechanische Belastungssituationen erfassen und ermöglichen anschließend eine Praxis-orientierte Dimensionierung und Optimierung der Bauteile.

Das IGF-Vorhaben 19315 N wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Projekt ist Anfang Februar 2017 gestartet und läuft bis Ende Januar 2019. Interessenten können gerne mit der PTS oder dem SKZ Kontakt aufnehmen.

SKZ: Halle B2 – Stand B2-2202