Additiv gefertigtes transparentes Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff.

Additiv gefertigtes transparentes Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff. (Bild: Neue Materialien Bayreuth)

Mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich aus virtuellen Modellen individualisierte und komplexe Bauteile werkzeuglos fertigen. Auf dem Weg zur Industrialisierung des 3D-Druckens – also zur Serienfertigung von Einzelbauteilen – spielt das gezielte Einstellen maßgeschneiderter Eigenschaften der Bauteile eine wichtige Rolle. Denn nur so kann der 3D-Druck mit allen seinen Vorteilen auch einen Mehrwert hinsichtlich Funktionalität bieten.

Eine zunehmend wichtigere Anforderung an diese Bauteile ist die Transparenz. Insbesondere Anwendungen in der Medizintechnik, der Automobilindustrie oder im Design- und Architektursektor setzen oftmals voraus, dass das Bauteil transparent ist, um Sensoren, Lichteinfall oder ein optisches Überprüfen zu ermöglichen. Für die zum Verarbeiten von thermoplastischen Werkstoffen üblicherweise eingesetzten Fused Filament Fabrication (FFF) oder für das Selektive Lasersintern stellt dies jedoch eine echte Herausforderung dar. Bei diesen Verfahren erfolgt der Aufbau des Bauteiles schichtweise, was eine raue Oberfläche sowie Poren und Lufteinschlüsse in der inneren Struktur verursacht, an denen das Licht gebrochen und gestreut wird. Dadurch erscheint das Bauteil milchig-trüb beziehungsweise opak, auch wenn ein transparentes Ausgangsmaterial verwendet wird.

Trübes Bauteil trotz transparentem Ausgangsmaterial: Bei diesem mittels Fused Filament Fabrication gefertigten Bauteil führt der schichtweise Aufbau zu Poren und einer rauen Oberfläche.
Trübes Bauteil trotz transparentem Ausgangsmaterial: Bei diesem mittels Fused Filament Fabrication gefertigten Bauteil führt der schichtweise Aufbau zu Poren und einer rauen Oberfläche. (Bild: Neue Materialien Bayreuth)

Experimentierräume für 3D-Druck-Innovationen

Das Demo-Center der Neuen Materialien Bayreuth (NMB) für additive Fertigung mit Kunststoffen bietet eine Plattform, um unkompliziert Erfahrungen mit den verschiedenen Technologien des 3D-Drucks sammeln und den jeweiligen Mehrwert für das Produkt oder den Prozess bewerten zu können. Der Fokus der aktuell dort verfügbaren Technologien liegt auf pulver- und extrusionsbasierten additiven Fertigungsverfahren für Thermoplaste. Dies umfasst unter anderem das selektive  Lasersintern, Filamentex­trusionsverfahren sowie das Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF).

Das AKF-Verfahren gehört zu den ex­trusionsbasierten Verfahren und nimmt hier eine Sonderstellung ein: Statt Kunststoffstränge werden bei diesem Verfahren einzelne Schmelzetropfen abgelegt. Ein in drei Achsen bewegliches Druckbett ermöglicht dabei das eigentliche „Freiformen“ von Teilen. Wie bei allen additiven Verfahren wird zuerst eine 3D-CAD-Datei erstellt. Dabei werden im Slicer die Druckparameter, wie beispielsweise Druckgeschwindigkeit, Anzahl der Konturen oder die Fülldichte eingestellt. Weitere Parameter, wie die Temperatur der Schnecken-zonen oder die Bauraumtemperatur können direkt am Drucker verändert werden. Aufgrund dieser offenen Bauweise, verbunden mit einem hochpräzisen Positionieren des Druckbetts, und dem Austrag einzelner Schmelzetropfen, erreicht das AKF sehr hohe Reproduktionsgenauigkeiten. Zusätzlich können Bauteile mit höherer Dichte oder einer geringeren Porenbildung im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren aufgebaut werden.

Oberflächenprofil einer additiv gefertigten Probe vor (links) und nach der Nachbehandlung mittels chemischer „Glättung“ (rechts).
Oberflächenprofil einer additiv gefertigten Probe vor (links) und nach der Nachbehandlung mittels chemischer „Glättung“ (rechts). (Bild: Neue Materialien Bayreuth)

Diese Vorteile machen das AKF-Verfahren für das Drucken transparenter Bauteile attraktiv. In Vorversuchen bei der NMB wurde gezeigt, dass mit dieser Technologie durch Anpassen der Prozessparameter das Herstellen transparenter Bauteile möglich ist. Welchen Einfluss die Parameter auf die innere Struktur eines Bauteils und damit dann auf eine mögliche Transparenz haben, war bisher jedoch ungeklärt.

Mit einer Antwort auf diese Frage hat sich eine Bachelorarbeit beschäftigt, die bei der NMB angefertigt wurde. Dabei ist es gelungen, den Zusammenhang zwischen Prozessparametern, Struktur des aufgebauten Teils und dessen Transparenz aufzuzeigen und so nachvollziehbar und reproduzierbar zu machen. Damit wurde die Voraussetzung geschaffen, um anwendungsspezifisch eine transparente Struktur im Bauteil gezielt einstellen zu können.

Mit dem AKF-Verfahren können theoretisch alle granulatförmigen ungefüllten Polymere verarbeitet werden. So lassen sich beispielsweise auch spezielle UV- oder medienbeständige, biokompatible und/oder bereits anwendungsspezifisch zertifizierte Materialtypen im 3D-Druck verarbeiten. Der Freeformer besitzt zwei Plastifizier- und Austragseinheiten, sodass auch 2K-Teile hergestellt werden können. Praktische Relevanz hat dies bei Hart-Weich-Verbunden oder in Fällen, in denen Stützmaterial zum Unterfüllen von Hinterschnitten oder Überhängen eingesetzt werden soll.

Oberfläche chemisch glätten

Um eine gewünschte Transparenz des Bauteils zu erreichen, werden die Prozessparameter gezielt so eingestellt, dass der Transmissionsgrad im Bereich zwischen circa 30 bis 85 % liegt. Die Oberfläche des gedruckten Bauteils weist jedoch eine raue Struktur auf und muss nachbearbeitet werden, um einen noch höheren Transmissionsgrad zu erreichen oder um eine anwendungsspezifisch glatte Oberfläche zu bekommen. Bei der NMB wurde hierfür ein Nachbearbeitungsverfahren etabliert, das auch für komplexe 3D-Strukturen geeignet ist. In einem sogenannten Dampfglätter wird die Oberfläche von 3D-Objekten mit einem Lösemitteldampf gleichmäßig von allen Seiten angelöst und „geglättet“. Auf diese Weise konnte die Oberflächenrauigkeit bis auf Werte von unter 1 µm reduziert werden.

Das gezielte Anpassen der 3D-Druckparameter und eine wirksame Nachbehandlung ermöglichen es, Bau-teile mit einer Lichttransmission von bis zu 92 % im sichtbaren Bereich bei einer Wanddicke von 3 mm additiv herzustellen. Damit erreichen diese Bauteile typische Werte von amorphen spritzgegossenen Thermoplasten.

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