Innenansicht des 3D-Druckers (Bildquelle: Kumovis)

Innenansicht des 3D-Druckers (Bildquelle: Kumovis)

Bei den Materialien für AF, der additiven Fertigung, werden verschiedene Strategien verfolgt, die von der Art der Verarbeitung abhängen. Einerseits geht es darum, die Werkstoffe bezüglich der Form und der Zusammensetzung so zu modifizieren, dass mit den verfügbaren AF-Verfahren Produkte erzeugt werden können, die in ihren Eigenschaften den konventionell erzeugten Produkten, zum Beispiel mittels Spritzgießen, nahe kommen oder sogar entsprechen. Andererseits geht es darum, für Standard-Kunststoffe solche Maschinenparameter zu finden, die ebenfalls zu Produkten führen, die mit konventionellen Verfahren produzierten gleichwertig sind.

Vielfältige Materialien für komplexere Anwendungen

So lässt sich Formlabs, Berlin, von dem Gedanken leiten, „das Versprechen von 3D-Druck, kundenindividuelle Massenfertigung zu ermöglichen, zur Realität in der Industrie zu machen.“ Neben dem ersten Stereolithografie-3D-Druck-Material mit Keramikpartikeln und einem wachsgefüllten, ausbrennbaren Feingussmaterial brachte das Unternehmen in diesem Jahr zwei neue technische 3D-Druck-Materialien auf den Markt. Eines der beiden Materialien „bietet hohe Präzision und vielseitige Materialeigenschaften einschließlich moderater Dehnung und geringer Kriechneigung“, wie Formlabs schreibt und dazu ergänzt, „was es ideal für Konzeptmodellierung und Funktionstests macht.“ Das zweite Material ist mit Glas gefüllt und „bietet sehr hohe Steifigkeit und eine makellose Oberfläche.“ Als Entwickler und Hersteller von 3D-Drucksystemen sieht Formlabs „die Stärke des 3D-Drucks von Beginn an im Prototyping. Doch je vielfältiger die Materialien werden, umso mehr nehmen auch Größe und Komplexität der Anwendungen zu, vor allem in der Fertigung und kürzlich in der Mass Customization.“ Im Unternehmen glaubt man daran, dass man „den 3D-Druck für Endprodukte pushen kann, indem die Materialeigenschaften dramatisch verbessert und gleichzeitig die Kosten pro Stück minimiert“ werden.

Angepasste Maschinenparameter für diverse Materialien

Freeformer 300-3X und Freeformer 200-3X. (Bildquelle: Arburg)

Freeformer 200-3X und Freeformer 300-3X. (Bildquelle: Arburg)

Der Verarbeitung von Standard-Materialien dient das von Arburg, Loßburg, entwickelte AKF (Arburg Kunststoff-Freiformen)-Verfahren. Diese „noch recht neue Technologie für die industrielle Fertigung basiert auf flüssigen Kunststofftropfen“, die aus „Standard-Kunststoffgranulat wie beim Spritzgießen zunächst in einer integrierten Materialaufbereitung mit spezieller Plastifizierschnecke“ erzeugt werden. „Gerade bei der Fertigung von „echten“ Funktionsbauteilen und Kleinserien gewinnt die additive Fertigung mit zunehmender Materialvielfalt an Bedeutung. Mit dem AKF-Verfahren, einem offenen System, können Anwender Originalwerkstoffe und auch spezifische Materialcompounds verarbeiten. Prinzipiell eignet sich jeder Werkstoff, der sich thermoplastisch verarbeiten lässt. Die Aufgabe besteht jedoch darin, aus dem jeweiligen Ausgangskunststoff auch gute Teile zu bauen. Um zu prüfen, ob und wie sich ein neues Material mit diesem offenen System verarbeiten lässt, werden in einem standardisierten Qualifizierungsprozess vordefinierte Prozess-Einstellungen ermittelt. Zwischenzeitlich existiert eine umfangreiche Datenbasis für Referenzmaterialien, die stetig wächst: Zu Standardgranulaten für das AKF-Verfahren zählen ABS (Terluran GP 35), PA10 (Grilamid TR XE 4010), PC (Makrolon 2805), TPE-U (Elastollan C78 A15) und PP (Braskem CP 393). Hinzu kommen spezielle Kunststoffe für besondere Anwendungen wie zum Beispiel medizinisches PLLA (resorbierbares Purasorb PL18 + Resomer LR 708), für die Luft- und Raumfahrt freigegebenes PC (Lexan 940) und Biopolymere (Arboblend, ISO 14850 biologisch abbaubar). Vergleichsweise einfach und schnell sind modifizierte Originalwerkstoffe einsatzbereit, wie zum Beispiel ein PC mit bestimmtem Farbzusatz oder Flammschutz.“

Arburg weist darauf hin, dass „auch die Farbenvielfalt wie die Materialvielfalt ein wichtiges Argument ist, um die Akzeptanz und den Einsatz der industriellen additiven Fertigung weiter voranzutreiben.“ Beim AKF-Verfahren ist die Selbsteinfärbung über Masterbatch möglich.

Voxeljet, Friedberg, berichtet von einem neuen Verfahren, dem High Speed Sintering (HSS)-Verfahren, das als Open Sourcing System ebenfalls die Möglichkeit bietet, Maschinenparameter flexibel anzupassen. So können verschiedene Materialien getestet und das System auf den individuellen Nutzen der Kunden angepasst werden. Polyamid 12 (PA) ist ein neu zu verarbeitendes Material. „Zudem konnte der 3D-Druck von Polypropylen und Thermoplastischem Polyurethan erfolgreich getestet werden.

Verfahrenskombination bietet Vorteile

HSS-Bauteile zeichnen sich durch hohe Flexibilität und Beständigkeit aus. (Bildquelle: Voxeljet)

HSS-Bauteile zeichnen sich durch hohe Flexibilität und Beständigkeit aus. (Bildquelle: Voxeljet)

Das von Voxeljet angesprochene neue Verfahren, bezeichnet als High Speed Sintering, kombiniert nach Aussage des Unternehmens „die Vorteile zweier bestehender additiver Verfahren, die des selektiven Lasersinterns und des Binder Jettings.“ Wie beim Lasersintern wird im Bauraum eine dünne Schicht des zu verarbeitenden Kunststoffpulvers auf eine beheizte Bauplattform aufgebracht. Über diese Schicht fährt im Gegensatz zum Lasersintern kein Laserstrahl die Kontur des zu erstellenden Formteils ab, sondern ein Tintenstrahldruckkopf großflächig darüber hinweg. Dieser benetzt die Bereiche der Pulverschicht, an denen das Bauteil entstehen soll, mit einer Tinte, die Infrarotlicht bei der nachfolgenden Bestrahlung mit diesem absorbiert. Die dabei freigesetzte Wärme versintert die unter der Benetzung liegende Pulverschicht. Die restliche Schicht bleibt pulverförmig. Nach Absenken der Bauplattform um eine Schichtdicke wiederholt sich der Vorgang. Da das gesamte Baufeld in nur einer Überfahrt des Druckkopfes „bedruckt“ wird, resultiert eine konstante Zeit für das Erstellen der Formteilkontur in jeder Schicht, unabhängig von Größe und Komplexität der Teile. Die Düsen des Druckkopfs ermöglichen eine Auflösung von 360 dpi, was kleinste Details bei hoher Kantenschärfe ermöglicht. Ausführliche Informationen zum Verfahren sind im Internet unter www.voxeljet.com/de/unternehmen/news/voxeljet-introduces-high-speed-sintering-process/ zu finden.

AKF-Verfahren für drei Komponenten

Arburg bringt eine neue große, nach dem AKF-Verfahren arbeitende Maschine auf den Markt, die das Verarbeiten von drei Komponenten ermöglicht. Damit wird „weltweit erstmals“, wie Arburg schreibt, „die industrielle additive Fertigung komplexer Funktionsbauteile in belastbarer Hart-Weich-Verbindung mit Stützstruktur“ möglich. Ausführlicher wurde das Verfahren im vergangenen Jahr im Rahmen des Trendberichts beschrieben.

Über den Autor

Prof. Dr. Werner Hoffmanns

ist freier Mitarbeiter des Plastverarbeiter.

office@hoffmanns-texte.de