Additiv gefertigte Zweikomponentenbauteile

Mit dem 3D-Drucker Triple FFF Mini werden die Prüfkörper hergestellt. (Bildquelle: SKZ)

Die meisten additiven Fertigungsverfahren sind heute auf das Herstellen von Bauteilen aus einer Komponente ausgerichtet. Ein starker Trend zeigt hin zu Multi-Material-Kombinationen. Dies bringt mehrere Vorteile und dadurch Chancen für Entwickler, Hersteller und Anwender [GRS10]. Die Gebrauchseigenschaften lassen sich verändern und verbessern, denn mit einem Materialmix können beispielsweise die Härte respektive der Abrieb, die Wärmeformbeständigkeit, die Barriereeigenschaften oder allgemein die mechanischen Eigenschaften optimiert werden. Durch die Bereitstellung verschiedener Farben, unterschiedlicher elektrische Leitfähigkeiten oder lokal variable mechanischer Eigenschaften werden Bauteile möglich, die weitere Funktionalitäten besitzen. Zusätzliche Materialien können als Barriere zwischen zwei Regionen dienen, sodass sich nach Entfernen der Stützkomponente die verbliebenen Teile relativ zueinander bewegen können. Beim Strangablegeverfahren könnte beispielsweise die zweite Komponente aus einem günstigeren, leicht zu entfernenden oder recyclingfähigem Material bestehen. Außerdem ermöglicht das Kombinieren verschiedener Materialien an einem Bauteil Funktionen, die bisher nur durch mehrere Bauteile möglich wurden. So lassen sich mit einem weichen Material Eigenschaften wie Griffigkeit, Soft-Touch, Sicherung gegen Verrutschen, Dichtung, elastische Schaltelemente oder Elemente zur Dämpfung beziehungsweise Schwingungsentkopplung integrieren.

Vielzahl an Möglichkeiten und Parameter

Tatsächlich eröffnet das Verarbeiten von mehreren Werkstoffen innerhalb eines Bauteils in der additiven Fertigung komplett neue Gestaltungsfreiräume und eine große Spannbreite im Design, der Produktgestaltung, der Funktionalitätsintegration und der kosteneffizienten Produktion. Mit Hinblick auf die möglichen Materialkombinationen ergeben sich eine Vielzahl neuer und auch verbesserter Anwendungen. Allerdings fehlen im Bereich der additiven Fertigung derzeit noch verifizierte Erkenntnisse hinsichtlich der Bauteil- und Prozessgestaltung additiv gefertigter Mehrkomponentenbauteile. Um die Materialauswahl und Prozessführung im Verbundbereich optimal auslegen zu können, ist ein Bewerten der Haftungseigenschaften zwischen den Komponenten zwingend erforderlich. Die Adhäsion der Grenzfläche von Mehrkomponentensystemen ist wegen der komplexen Wechselwirkungen verschiedener physikalischer, chemischer und mechanischer Faktoren bis dato theoretisch nur ungenau vorhersagbar. Praktische Versuche, um die erreichbare Verbundhaftung zu ermitteln, sind deshalb in nahezu allen Fällen noch immer unerlässlich [BRI96, SCH08, KÜH05].

Die Verbundhaftung zwischen den Hart- und Weichkomponenten zu beurteilen, ist verglichen mit dem 2K-Spritzguss noch wesentlich komplexer. Neben der Kompatibilität der ausgewählten Materialien hinsichtlich Polarität, funktioneller Gruppen an der Oberfläche und der Prozessführung (Massetemperatur, Bauraumtemperatur und andere), sind zusätzlich noch die Gestaltung der Verbundfläche, das Slicing der Modelle und Bauteilbereiche mit den unterschiedlichen Materialien bedeutend. Weiterhin zu beachten sind Strang- und Schichtdicken, Bahn- und Baustrategie, Baurichtung und -geschwindigkeit sowie Oberflächenrauheit/-struktur. Richtlinien zur Prüfung der Haftung von Verbundmaterialien (VDI-Richtlinie 2019: Prüfung der Haftung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) an Substraten [VDI14]) sind aufgrund der höheren Komplexität nicht ohne Weiteres vom Spritzguss zur additiven Fertigung übertragbar.

Ein im Juli 2017 gestartetes und durch den IGF gefördertes Forschungsvorhaben (IGF-Nummer: 19607N) des SKZ, Würzburg, ein Institut der Zuse-Gemeinschaft, setzt sich mit diesen Fragestellungen auseinander. Dieses Forschungsvorhaben hat zum Ziel, ein umfangreiches Verständnis über die Ausbildung der Haftung zwischen einem harten und einem weichen Material während des Bauprozesses im Strangablegeverfahren zu schaffen. Damit sollen Grundlagen für die erreichbare Verbundhaftung erarbeitet und die derzeitigen Entwicklungs- und Fertigungsrisiken für Mehrkomponentenbauteile verringert werden. Mit der im Rahmen des Vorhabens gewonnenen Erkenntnisse ist ein Bewerten der Materialeignung sowie der zu erwartenden Haftung realisierbar.

Verfahren zum Herstellen von Mehrkomponentenbauteilen

Die Herstellung von 2K-Bauteilen und Prüfkörpern erfolgt im Projekt auf einem Fused Layer Modeling (FLM) Drucker, dem „TripleF Mini“. Dieser ist eine Eigenkonstruktion des SKZ und verfügt über einen schwenkbaren Wechselkopf mit zwei Düsen. Durch den verbauten Wechselkopf mit zwei Extrudern ist es möglich, mehrere Probekörper in einem Durchgang zu drucken, ohne das Filament wechseln zu müssen. Des Weiteren ist der Bauraum des Druckers beheizbar, sodass sich konstante Prozessbedingungen und eine gleichmäßige Wärmeverteilung gewährleisten lassen.

Typischerweise werden 2K-Komponenten mit Hilfe des Schälprüfkörpers bezüglich des Haftungsverhaltens charakterisiert. Dieser soll sich sehr stark an der VDI-Richtlinie 2019 orientieren. Der in der Richtlinie beschriebene Prüfkörper besitzt bereits breite Akzeptanz bei TPE-Rohstoffherstellern und Spritzgießern. In ersten Vorversuchen hat sich gezeigt, dass die in der Richtlinie vorgegebene Prüfkörpergröße aus dem Spritzguss nicht auf den 3D-Druck übertragbar ist. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, ist es notwendig, mindestens sechs Probekörper in einem Baujob zu drucken. Da die Druckfläche durch die Größe des Bauraumes begrenzt ist, ist ein Verkleinern der Schälprüfkörper auf die Hälfte sinnvoll. Um einen sehr hohen Aufwand (Druck mit drei Komponenten) zu vermeiden und marktübliche Anlagen nutzen zu können, ist das Drucken des Schälprüfkörpers ohne Stützmaterial vorgesehen. Dies ist ein weiteres Argument, das für einen verkleinerten VDI-Probekörper spricht.

Prüfen der Schälhaftung

Rollschlitten für die Schälprüfung in der Zugprüfmaschine. (Bildquelle: SKZ)

Heute ist es von Seiten der Drucker- und Materialhersteller sowie der Software möglich, additiv Mehrkomponentenbauteile zu fertigen. Dennoch sind derartige Bauteile noch nicht mit industrietauglichen Eigenschaften verfügbar. Begründet ist dies in einer fehlenden Methode, um das Haftungsverhalten dieser Bauteile zu charakterisieren. Ein solches Verfahren wird im Forschungsvorhaben derzeit entwickelt. Die Schälprüfung erfolgt an einer Zugprüfmaschine. Die Prüfvorrichtung für den additiv gedruckten Schälprobekörper ist mit einer Rollenschälvorrichtung nach DIN EN 1372 mit separat laufendem Schlitten (DIN EN 1939) versehen. Außerdem erfolgt ein Umlenken der elastischen Komponente, sodass der Schälwinkel während der gesamten Prüfung konstant ist. Der Zugprobekörper wird zwischen zwei Zangen eingespannt und mit konstanter Geschwindigkeit gezogen. Die VDI-Richtlinie dient auch hier als Grundlage für einen verkleinerten Rollschlitten. Aus den aufgezeichneten Kraft-Weg-Verläufen können, für eine beliebige Anzahl an Messungen, der Schälkraftverlauf und der auszuwertende Wegbereich festgelegt und hierfür die statistischen Kennwerte (minimale, maximale und durchschnittlicher Schälkraft sowie Schälwiderstandsintegral) ermittelt werden.

Rollenschlitten für den Schälprüfkörper mit vier Halterungsschrauben. (Bildquelle: SKZ)

Mit dem Standard-Rollenschlitten mit vier Fixierungsschrauben sind die Proben nur ungenügend fixiert. (Bildquelle: SKZ)

Optimierter Rollenschlitten mit sechs Fixierungsschrauben. (Bildquelle: SKZ)

Bei den ersten Schälprüfungen mit der Rollenvorrichtung hat sich gezeigt, dass die Fixierung des Prüfkörpers zu gering ist, um der hohen Haftung des Hart-Weich-Verbundes standzuhalten. Durch die auftretenden Kräfte rutschen die Proben teilweise aus dem Rollenschlitten. Für aussagekräftigere Ergebnisse ist es daher notwendig, den Rollenschlitten massiver auszulegen, um die Proben stabil und fest in der Vorrichtung zu halten. Der Rollenschlitten wurde konstruktiv überarbeitet und durch Lasersintern gefertigt. Er besitzt nun sechs, anstelle der üblichen vier Halterungsschrauben, wodurch die Proben ausreichend fixiert sind.

Untersuchte Materialkombinationen

Als Hartkomponente werden die Materialien Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polylactid (PLA), Polycarbonat (PC)) sowie Polyamid 6 und 12 (PA 6, PA12) verwendet. Die Weichkomponente wird aus vernetztem thermoplastischem Polyolefin (TPE-V) und thermoplastischem Elastomeren auf Styrol- (TPE-S), Polyetherester- (TPE-E) sowie Polyurethanbasis (TPE-U) gedruckt.

Für die Haftungsversuche wurden verschiedene Materialkombinationen gedruckt, geprüft und ausgewertet.

In Tabelle 1 ist gekennzeichnet, welche Materialkombinationen eine gute bis schlechte Haftung an der Grenzfläche zeigen. Die Einordnung erfolgte anhand der Bewertungsmatrix von Tabelle 2.

Tabelle 1: Haftung des Hart-Weich-Verbundes

Tabelle 2: Bewertung der Schälwiderstände

Die Schälkräfte der Materialpaarungen PLA – TPE-E, PLA – TPE-U, PA 12 – TPE-E und PA6 – TPE-V weisen sehr geringe Kräfte (unterhalb von 2 N) auf. Dies ist bedingt durch die geringe Adhäsionskraft der zwei Materialien an der Grenzfläche und ist visuell dadurch sichtbar, dass die Weichkomponente beim Abschälen keine Rückstände hinterlässt. Wie bereits vom 2K-Spritzgießen von Hart-Weich-Verbunden bekannt ist, korrelieren die Haftkräfte mit entsprechenden Säure-Base-Eigenschaften der Oberflächen [KHD16, KOH17]. Die Kombinationen werden im Projekt nicht weiterverfolgt.

Auswertung der minimalen und maximalen durchschnittlichen Schälkraft in N der Materialkombination ABS – TPE-U in Abhängigkeit der Bauraumtemperatur in °C. (Bildquelle: SKZ)

Die vier Materialkombinationen PC – TPE-E, PC – TPE-U, ABS – TPE-U und PA12 – TPE-U zeigen eine sehr gute Verbundhaftung. PC und Polystyrol (PS) weisen einen hohen basischen Oberflächencharakter auf und interagieren daher verstärkt mit aziden Oberflächen wie TPE-U. Am Beispiel der Materialkombination ABS – TPE-U wurde der Einfluss ausgewählter Prozessparameter auf die Haftfestigkeiten untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Bauraumtemperatur ausschlaggebend für eine gute Verbundhaftung ist und individuell an die jeweilige Materialpaarung angepasst werden muss. Essentiell ist hierbei eine homogene Bauraumtemperierung, wie sie am Triple FFF Mini gegeben ist. Temperaturschwankung von +/- 10 °C reduzieren bereits die Schälkraft um bis zu 30 Prozent.

Eine abweichende Bauraumtemperatur des 3D-Druckers hat bei der Materialkombination ABS – TPE-U einen signifikanten Einfluss auf die Haftung des Hart-Weich-Verbundes. Die maximale Schälkraft von 80,1 N liegt bei einer Bauraumtemperatur von 70 °C fällt auf 54,8 N bei 80 °C und bei 60 °C sogar um 43 Prozent auf 34,4 N.

Schälprobekörper hergestellt aus PP-TPE-S. (Bildquelle: SKZ)

Der Hart-Weich-Verbund PP – TPE-S liefert gute Haftungsergebnisse, jedoch kommt es bei einigen Versuchsreihen zu keinem Schälen der Proben, sondern diese reißen direkt an der Grenzfläche ab.

Auswertung der minimalen und maximalen durchschnittlichen Schälkraft in N der Materialkombination PP – TPE-S in Abhängigkeit der Verarbeitungstemperatur in °C. (Bildquelle: SKZ)

Beim Verarbeiten von TPE-S zeigt sich, dass auch die Düsentemperatur einen signifikanten Einfluss auf die Haftung hat. Hierbei ist die Schälkraft bei der Versuchsreihe mit erhöhter Temperatur (260 °C) am höchsten und beträgt 69,2 N. Im Vergleich zum Standardparameter ist das ein Zuwachs von 21 Prozent. Dies liegt in der höheren Temperatur der Düse und dem damit verbundenen Wärmeeintrag begründet. Auch bei der Hartkomponente (PP) zeigen sich analoge Ergebnisse wie bei TPE-S. Bei 200 °C Düsentemperatur beträgt die maximale durchschnittliche Schälkraft 42,9 N und ist somit 27 Prozent niedriger als bei 240 °C Düsentemperatur. Der Unterschied zwischen 220 °C und 240 °C Düsentemperatur der Hartkomponente ist minimal.

Weitere Produktentwicklungen

Bei der additiven Fertigung ist die Kenntnis über die Verbundfestigkeit von Materialkombinationen aus harten Thermoplasten und weichen, elastischen thermoplastischen Elastomeren wichtig, um bereits im Vorfeld geeignete Materialkombinationen auswählen zu können und den Prozess gezielt zu optimieren. Neben der Schälprüfung ist die Zugprüfung für die Untersuchung der Haftung geeignet. Hierzu laufen aktuell Untersuchungen am SKZ. Es werden sechs rechteckige Probekörper jeweils im Bauraum liegend und stehend gedruckt, im Anschluss wasserstrahlgeschnitten, um den verkürzten Prüfstab 1A (DIN EN ISO 527) zu generieren und mit Hilfe des Zugversuches geprüft. Des Weiteren ist der Vergleich der Haftung von gedruckten zu spritzgegossenen Schälprobekörpern bei gleicher Geometrie vorgesehen. Auf diese Weise ist es möglich, Prüfaufbau und Prüfmethode sehr präzise zu validieren.

Neben den bereits gedruckten Materialien TPE-E und TPE-U sind weitere Versuche mit TPE-S sowie TPE-V geplant. Viele Filamenthersteller haben in den letzten Jahren sowohl in die Entwicklung als auch die Vermarktung neuer Materialien investiert. Das Produktportfolio wird in den nächsten Jahren weiterhin stark steigen, das heißt es gibt neue Fragen bezüglich der Haftungskompatibilität der verschiedenen Materialien.

Quellen:

[BRI96]             Brinkmann, S.: Verbesserte Vorhersage der Verbundfestigkeit von 2-Komponenten-Spritzgießbauteilen. Dissertation, RWTH-Aachen 1996, S. 67-86.

[GRS10]            Gibson, M./Rosen D. W./Stucker, B.: Additive manufacturing technologies. New York 2010, S. 400-402.

KHD16]           Kraus, E./Horvat S./Deubel, C./Staudigel, C./Baudrit B./Heidemeyer P./Bastian, M./Starostina, I.: Stoyanov, O.: Relevance of the Acid-Base Approach in Predicting Adhesion Properties in Two-Component Injection Moulding. Würzburg 2016, S. 4-6.

[KOH17]          Kraus, E./Orf, L./Heilig, M./Baudrit, B./Starostina, I./Stoyanov O.: Characterization of Polymer Surfaces by the Use of Different Wetting Theories Regarding Acid-Base Properties. Würzburg 2017, S. 4-5.

[KÜH05]          Kühnert, I.: Grenzflächen beim Mehrkunststoffspritzgießen. Dissertation, TU-Chemnitz 2005, S. 20-23.

[SCH08]            Schuck, M.: Kompatibilitätsprinzipien beim Montagespritzgießen. Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg 2008, Erlangen 2009, S. 59-68.

VDI 2019:2016-04          Prüfung der Haftung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) an Substraten. VDI 2019:2016.

DIN EN 1372:1999-10   Klebstoffe – Prüfverfahren für Klebstoffe für Boden- und Wandbeläge – Schälversuch. Deutsche Fassung EN 1372:1999.

DIN EN 1939:2003-12   Klebebänder – Bestimmung der Klebkraft. Deutsche Fassung EN 1939:2003.