Mit dem Arburg Kunststoff-Freiformen-Verfahren gefertigte Kabelklemme. (Bildquelle: Arburg)

Mit dem Arburg Kunststoff-Freiformen-Verfahren gefertigte Kabelklemme. (Bildquelle: Arburg)

Am Anfang eines guten Kunststoff-Bauteils steht der Rohstoff: Diese an sich banale Feststellung ist im Bereich der additiven Fertigung keineswegs trivial. Denn Kunststoffe, die im Serienspritzguss prozesssicher eingesetzt werden, können nicht einfach in den generativen Verfahren übernommen werden. Die Materialien müssen spezifisch und mehr oder weniger aufwendig qualifiziert werden. Zum Teil geschieht dies durch chemische Modifikationen, die das Material für das jeweilige Verfahren anwendbar machen. Neuere Verfahren erlauben zudem den Einsatz von einigen handelsüblichen Standardkunstoffen. Auch diese müssen jedoch vorher abgemustert werden. Dabei gilt es, anwendungsspezifische Prozessfenster zu ermitteln, innerhalb derer die gewünschte Bauteilqualität erreichbar ist. Nicht zufällig kommen im klassischen, filamentbasierten 3D-Druck derzeit vor allem amorphe Kunststoffe wie PLA, ABS oder PMMA zum Einsatz, während die in Hinblick auf die Bauteilqualität interessanten teilkristallinen Polymere wie etwa PP, PA oder PEEK wegen der Verzugseffekte beim Aushärten Schwierigkeiten bereiten.

Da verwundert es nicht, dass bei fast jeder Neuentwicklung im Bereich der additiven Fertigungstechnik die Kunststoff- oder auch Masterbatch-Hersteller von Projektbeginn an mit „an Bord“ sind. Immer häufiger tätigen Chemieunternehmen zudem Zukäufe, um ihre Wertschöpfungskette „downstream“ zu erweitern, denn 3D-Druck – so zeigt die Praxis – lässt sich am besten in Paketen verkaufen, die Materialien, Maschinen und Fertigungs-Know-How beinhalten. Das jüngste Beispiel dafür liefert die BASF mit ihrer (nicht näher bezifferten) Venture-Capital-Beteiligung an dem 3D-Druck-Spezialisten Prismlab in Shanghai, China. Es handelt sich um die erste direkte Investition des Ludwigshafener Konzerns in ein chinesisches Unternehmen. Prismlab ist es nach eigenen Angaben gelungen, die Druckauflösung im Stereolithographie (SLA)-Verfahren ohne Einschränkung der Druckgeschwindigkeit zu erhöhen. Statt mit einem üblichen Laser werden bei dieser patentierten „Pixel Resolution Enhanced Technology“ die lichthärtenden Polymerharze auf dem Druckbett mittels kostengünstigen LCD-Lichtquellen bestrahlt. Durch Aufteilung der Pixel in mehrere Bereiche, die einzeln belichtet werden, erhöht sich die Energiemenge pro Pixel. So sei es möglich, auch relativ große und stabile Teile mit reduzierten Prozesskosten zu produzieren. „Die 3D-Druck-Technologie ist dabei, die Welt zu verändern“, ist Prismlab-Chef Hou Feng überzeugt. Mit Unterstützung der BASF will das Unternehmen den technologischen Wandel anführen und maßgefertigte Lösungen beispielsweise für Kunden aus der Schuh- und Möbelindustrie anfertigen.

Materialqualifizierung ist der Schlüssel zum Erfolg

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

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

Die Erweiterung des Spektrums an möglichst kostengünstigen Materialien steht auf der To-do-Liste von Verfahrensentwicklern weit oben. Mit dem erstmals auf der K 2013 vorgestellten Freeformer ist Arburg, Loßburg, ein großer Schritt in diese Richtung gelungen. Bei dem Arburg Freeform Verfahren (AKF) werden qualifizierte Kunstoffgranulate wie beim Spritzgießen aufgeschmolzen und von einer Schnecke homogenisiert und vor der Austrittsdüse komprimiert. Ein vorgeschalteter Piezoaktor bewegt den Nadelverschluss der Düse. Anders als beim Fused Deposition Modeling (FDM) werden hier keine Stränge ausgetragen, sondern mit einer Frequenz von bis zu 250 Hertz kleine flüssige Perlen auf den in drei Richtungen verschiebbaren Bautteilträger abgelegt. Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Integration von Stützstrukturen, sondern auch Hart/Weich-Komponenten-Anwendungen. Auf der Formnext präsentierte Arburg nun als Weltpremiere den neuen großen Freeformer. Ausgestattet mit drei statt bisher zwei Austragseinheiten und größerem Bauraum können mit dem 300-3X laut Hersteller erstmals komplexe Funktionsbauteile in belastbarer Hart-Weich-Verbindung mit Stützstruktur industriell gefertigt werden. Der Bauteilträgerfläche wurde gegenüber dem Freeformer 200-3X um fast 50 Prozent vergrößert.  Dies ermöglicht jetzt die Herstellung größere Kleinserien und 50 Prozent breiterer Teile mit Abmessungen von bis zu 234 x 134 x 200 mm. In der Materialdatenbank von Arburg sind verfahrensspezifische Prozessparameter für verschiedene qualifizierte Standardgranulate, wie etwa ABS, PC, PA 10, PA 12, TPE-U und PP dokumentiert. Hinzu kommen Kunstststoffe für besondere Anwendungen wie etwa medizinisches PLLA.

Das 3. WAK Symposium in Bayreuth widmete sich ganz dem Thema "Addititive Fertigung mit Kunststoffen. (Bildquelle: Ralf Mayer/Redaktion Plastverarbeiter)

Das 3. WAK Symposium in Bayreuth widmete sich ganz dem Thema „Addititive Fertigung mit Kunststoffen. (Bildquelle: Ralf Mayer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die offene Steuerung des Freiformers ermöglicht die Qualifizierung weiterer Materialien für das Verfahren. Daran arbeiten unter anderem Forscher im Institut Kunststofftechnik Paderborn (KTP) der Universität Paderborn unter der Leitung von Prof. Dr. Elmar Moritzer. Er war einer von insgesamt zwölf Referenten auf dem 3. WAK-Symposium (23. bis 24. Oktober 2018) in Bayreuth, das vom Wissenschaftlichen Arbeitskreis der Universitätsprofessoren der Kunststofftechnik (WAK) veranstaltet wird und sich in diesem Jahr ganz dem Thema „Additive Fertigung mit Kunststoffen“ widmete. Für die Materialqualifizierung werden laut Moritzer zahlreiche Parameter wie etwa Temperaturen, Staudruck, Massedruck, Schichtdicke sowie die Frequenz des Tropfenaustrags spezifiziert und optimiert. Über die Optimierung des Formfaktors – abhängig vom Verhältnis zwischen Breite und Höhe der Tropfen – werden Ablagestrukturen gesteuert, um beispielsweise dichte Außenstrukturen und porösere Innenfüllungen zu generieren. Theoretisch seien in dem Freiform-Verfahren alle Standardgranalute zu verarbeiten, erklärt Moritzer, wobei die teilkristallinen Kunststoffe aufgrund der höheren Eigenschwindung erwartungsgemäß größere Herausforderung darstellen als die amorphen.  Anfragen aus der Industrie bestätigten, dass AKF Potenziale beispielsweise in der Ersatzteil-Beschaffung hat, so der Wissenschaftler. Das Verfahren sei zwar nicht schneller als FDM (Fused Deposition Modeling), biete aber mehr Möglichkeiten bei der Produktgestaltung. Mit ABS gefertigte Probekörper zum Beispiel wiesen eine Zugfestigkeit von 82 Prozent und einen Elastizitätsmodul von 97 Prozent der entsprechenden Spritzgussteile auf. Die Bruchdehnungs-Festigkeit in Aufbaurichtung lag in diesem Fall aber nur bei 48 Prozent. Nicht nur dieses Beispiel zeigt: Optimierungsbedarf besteht immer.

Material- und Prozesskosten, Verfahrensgeschwindigkeit, Bauteilstabilität ­– dies sind neben der Ausweitung der Rohstoffvielfalt die Stellschrauben, an denen Wissenschaft und Industrie derzeit drehen, um die Attraktivität des 3D-Drucks und anderer generativer Verfahren zu steigern. Ein weiteres intrinsisches Manko dieser Verfahren ist die eher bescheidene Oberflächengüte der Bauteile. Hier gereicht ein wesentlicher Vorteil der additiven Fertigung – die Nichtnotwendigkeit von Formwergzeugen, was sehr komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen ermöglicht – zum Nachteil. Denn damit entfällt auch die Fähigkeit, hervorragende Oberflächenqualitäten – wie beim Spritzgießen – bereits im Werkzeug herzustellen.

Anisotropie nutzen durch gezielte Faserverstärkung

Mangelnde Oberflächenqualität muss aber kein Ausschlusskriterium sein, sofern ein ansonsten leistungsfähiges 3D-Druck-Verfahren zur Verfügung steht. Das Oberflächen-Finishing könne man in diesem Fall gut in der Nachbearbeitung durchführen, meint Prof. Dr. Alois K. Schlarb von der TU Kaiserslautern, Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe. Auf dem WAK-Symposium skizzierte Schlarb die Chancen und Risiken der Bauteilfertigung mittels FDM. Sein Forscherteam untersucht unter anderem, welchen Einfluss Füllmaterialien in Standardkunststoffen auf die mechanischen Eigenschaften der FDM-gefertigten Bauteile haben und welche Rolle dabei Prozessparameter – etwa Düsen- und Plattform-Temperatur, Auftragsgeschwindigkeit, Schichtdicke − spielen. Als Referenzgröße dient das Eigenschaftsprofil der spritzgegossenen Bauteile. Testreihen mit PEEK und PP, die mit Nanopartikeln beziehungsweise Glas- oder Carbonfasern verstärkt wurden, zeigten zahlreiche interessante Korrelationen zwischen Füllstoffkonzentration und Prozessbedingungen einerseits und Bauteileigenschaften wie Elastizität, Zugfestigkeit und Bruchdehnungsfestigkeit andererseits. Prof. Schlarb ist davon überzeugt, dass die Anisotropie additiv gefertigter Körper, also die Abhängigkeit von der Richtung der Verformungskraft, eine Chance darstellt. Ziel könnte sein, Bauteile herstellen, die die gewünschten Festigkeiten genau entlang der in der Praxis auftretenden Lastpfade aufweisen – realisierbar durch die richtungsorientierte Zugabe der Verstärkungen.

In puncto Geschwindigkeit werden 3D-Drucker wohl niemals in den Bereich von Spritzgießmaschinen vorstoßen können, das ist der Physik geschuldet. Die allerschnellsten je getesteten filamentbasierten Geräte erreichen einen Massendurchsatz von nur einigen Gramm pro Minute. Als Flaschenhals erweist sich vor allem die geringe Austrittsgeschwindigkeit der Filamente, die zudem nicht vollständig plastifiziert werden, was sich wiederum negativ auf die Festigkeit insbesondere großer Bauteile auswirkt. Ein möglicher Ausweg wären Extrusionsanlagen, bei denen nicht erwärmte Filamente, sondern plastifizierte Granulate auf die Druckplattform ausgetragen werden. Daran arbeiten Forscher der TU Ilmenau im Rahmen des BMFT-geförderten Projektes High Performance 3D-Druck. In ihrer Versuchsanlage für die granulatbasierte Direktextrusion haben die Forscher bereits Probekörper mit einem Masseaustrag von 50 g/min gefertigt, womit das Tempo von marktüblichen FDM-Anlagen um das 20- bis 30-fache übertroffen wurde. (siehe Plastverarbeiter 10/18).

3D-Druck mit Flüssigkeiten

3D-Druck ist nicht nur mit Thermoplasten, sondern auch mit Flüssigkeiten möglich: German Reprap stellte mit dem L280 jetzt erstmals einen serienreifen 3D-Drucker vor, der Flüssigsilikon (LSR) verarbeitet. Bei diesem, Liquid Additive Manufacturing (LAM) genannten Verfahren verschweißen sich die einzelnen Schichten nicht nur miteinander (wie beim filamentbasierten 3D-Druck), sondern gehen durch Vulkanisation feste Verbindungen ein. Dies bringt laut German Reprap, Feldkirchen, Vorteile insbesondere im Prototypenbau, weil sich die Eigenschaften der gedruckten Prototypen direkt auf die spritzgegossenen Serienteile übertragen lassen. Da die Auftragsrichtung und somit die Vulkanisation auf Makro-Molekülebene beeinflusst werden kann, lassen sich nach Angaben des  Unternehmens mit der LAM-Technologie sogar bessere Festigkeiten erzielen als im Spritzguss. Das Verfahren wird mit einem auf dem Markt eingeführten Flüssigsilikon von Dow betrieben.

Das ganz persönliche Automobil

Das personalisierte Auto: Die Nachrüstungsteile für den "Mini" (im Bild eine Dekorabdeckung und ein Seitenblinker) werden nach gemäß Kundenbestellung additiv gefertigt. (Bildquelle: BMW Group)

Das personalisierte Auto: Die Nachrüstungsteile für den „Mini“ (im Bild  ein Seitenblinker und eine Dekorblende werden nach gemäß Kundenbestellung additiv gefertigt. (Bildquelle: BMW Group)

Die Nachteile der additiven Fertigung akzeptieren und ihre Vorteile verstärkt nutzen – dieses pragmatische Motto findet in der Kunststoffbranche zunehmend Resonanz. Zurecht, denn auch ohne Großserienfertigung sind die Potenziale der Technologie enorm. Vor allem dort, wo kleine Serien hochgradig individualisierter Produkte bis hin zu Losgröße Eins erwünscht sind, oder im Prototypenbau nimmt die Zahl der Anwendungen rasant zu. Beispiel Automobilindustrie: „Ich gehe davon aus, dass die additive Fertigung die Art und Weise, wie wir in Zukunft Produkte bauen werden revolutionieren wird“, sagt Dr. Dominik Rietzel, Leiter der additiven Fertigung (Nichtmetalle) bei der BMW Group.  Dabei mache es aber keinen Sinn, Produkte, die bereits auf herkömmliche Weise gefertigt werden, auf AF umzustellen, sagte er auf dem WAK-Symposium. Vielmehr gehe es darum, neue Produkte und die dazu passende „Story“ zu finden. Die derzeitige Additive-Fertigung-Strategie von BMW zielt auf Individualisierung, Ersatzteil-Beschaffung und Produktionen mit Volumen. Umgesetzt wurde dies in dem Projekt Mini Yours Customised. Seit kurzem können Kunden ihren Mini mit personalisieren Teilen nachrüsten, die additiv gefertigt werden.

Dabei handelt es sich etwa um Dekorblenden im Interieur oder Außenblinker, die mit speziellen Ikons und Namen dekoriert werden. Die BMW Group hat die Verfahren Selektives Lasersintern, Multi Jet Fusion und Continuous Liquid Interface Production anwendungsspezifisch validiert und die Customised-Prozesse komplett digitalisiert. Die Bestellung des Kunden wird als STL-Datensatz hinterlegt und in das Produktionsystem übertragen. Jeder Job erhält eine personalisierte ID mit digital lesbaren Maschinencodes. Der gesamte Prozess mit Rohteilfertigung, Lackierung, Nachbehandlung, Montage und Verpackung ist jederzeit rückverfolgbar. Die Digitalisierung bezeichnet Rietzel als Herausforderung, die der additiven Fertigung aber viele neue Möglichkeiten eröffnet.

 

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Über den Autor

Ralf Mayer

ist Chefredakteur Plastverarbeiter.

ralf.mayer@huethig.de