Spritzgussteile versus additiv gefertigte Kunststoffteile – erkennen Sie den Unterschied? (Bild: F&G Hachtel)
Die Kombination von Material und Prozess ermöglicht mit der von Cubicure, Wien, Österreich entwickelten Hot Lithography Technologie das additive Herstellen von Kunststoffkomponenten mit einer Qualität, welche bisher nur zerspanend oder im Spritzguss möglich war. In der Produktentwicklung werden damit komplexe Prototypen rasch verfügbar, Endprodukte können direkt und losgrößenunabhängig hergestellt werden. Konträr zum Spritzguss müssen keine Spritzgussformen konstruiert und produziert werden, bevor mit der eigentlichen Produktion von Nullserien begonnen werden kann. Etwa in der Bahnbranche sind es häufig Bauteile, deren Fertigungszeichnungen oder Spritzgussformen seit Jahrzehnten nicht mehr existieren. Eine bedarfsorientierte Ersatzteilproduktion mittels additiver Fertigung optimiert die Lagerhaltungskosten und ermöglicht zudem eine nachträgliche Bauteiloptimierung. Hohe Bauteilkomplexität, flexible Vorserienproduktion, kurzfristige Änderungen bei Planung und Konstruktion sowie damit einhergehende Zeit- und Kostenersparnis erhalten dadurch Einzug in die Fertigung von Performance-Kunststoffteilen.
Stereolithographie neu gedacht
Das Dilemma des 3D-Drucks: mit der Kombination aus Geometrie, Material und Ökonomie mit der Hot Lithography und den Materialsystemen von Cubicure gelöst(Bildquelle: Cubicure)
Bei photopolymerisationbasierten Prozessen werden während dem 3D-Druck nicht nur eine Form, sondern gleichzeitig auch die Materialeigenschaften generiert. Konventionelle, niedrigviskose Harze für lichthärtende 3D-Druckverfahren, welche für die Stereolithographie (SLA) Stand der Technik sind, reagieren zu sehr steifen und spröden Bauteilen mit sehr geringen thermischen Eigenschaften. SLA-Prozesse zählen in der additiven Fertigung jedoch zu den präzisen Fertigungsverfahren im Hinblick auf erreichbare Auflösung und Oberflächenqualität von Bauteilen. Dabei belichtet ein Laser die Oberfläche eines lichtempfindlichen, flüssigen Harzes und härtet es dabei Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Bauteil aus.
Dieses Verfahren entwickelte Cubicure weiter zur Hot Lithography. Im Gegensatz zur klassischen Stereolithographie entstehen die Bauteile nicht in einem Tauchbad aus flüssigen Photopolymeren, sondern werden in einem Dünnschichtprozess strukturiert.
Kern der Technologie ist ein eigens entwickelter und patentierte Beheizungs- und Beschichtungsmechanismus, mit welchem ein hochviskoses Harz bei Temperaturen von bis zu 120 °C verarbeitet wird. Da erhöhte Temperaturen nicht nur einen Einfluss auf die Viskosität der eingesetzten Harze haben, sondern auch deren Stabilität und Reaktivität beeinflussen können, ist eine genaue Prozesshandhabung und -kontrolle nötig, um eine ungewollte Polymerisation und damit Schädigung des Materials zu verhindern. Erstmals ist es damit möglich, hochviskose Harze dreidimensional zu strukturieren.
Anlage für die Hot Lithography Technologie.(Bildquelle: Cubicure)
Angewendet wird die Hot Lithography Technologie in der 3D-Druck-Anlage Caligma 200 mit einem Bauraum von 200 x 100 x 300 mm³ und einer Auflösung bis zu 10 µm. Die Bauraumgröße erlaubt damit sowohl die additive Fertigung von Prototypen als auch Klein- und Mittelserien. Ein mögliches Anwendungsgebiet liegt in der Mikrobauteilfertigung.
Vergleichbar mit technischen Thermoplasten
Aufgrund ihrer Molekülstruktur und ihres hohen Vernetzungsgrades sind herkömmliche Photopolymere spröde und wenig temperaturbeständig. Der Materialhersteller entwickelt fortlaufend neue lichthärtende Materialsysteme, die im Gegensatz zu niedrigviskosen Harzen bei Raumtemperatur schwer fließfähig sind und Temperaturen von 120°C verarbeitet werden. Vergleichbar mit technischen Thermoplasten, beispielsweise PP oder ABS, weisen die vom Anlagenhersteller entwickelten Harze höchste Oberflächenqualität, hohe Bruchdehnung und Schlagzähigkeit auf.
High Performance Photopolymere
Das Herstellen funktionaler Bauteile ist für die additive Fertigung herausfordernd. Das Unternehmen entwickelte ein Harz für vielfältige Konstruktionsaufgaben und Produktapplikationen: Cubicure Evolution – ein Hochleistungsphotopolymer auf Methacrylatbasis mit einer Zugfestigkeit von 43 MPa und einer Bruchdehnung von mehr als 20 %. Mit einer Wärmeformbeständigkeit von 82 °C eignet sich das Polymer für funktionale Prototypen in der Komponenten- und Produktentwicklung bis hin zur Fertigung von Baureihen in Klein- und Mittelserien. Subtraktives Bearbeiten, wie das Einschneiden eines Gewindes, und ein Anhaften an Metallen sowie an Glas und verschiedenen Kunststoffen machen dieses hochviskose Harz universell einsetzbar. Mikrospritzguss in Kleinserien von wenigen hundert oder tausend Stück ist oft unrentabel. Mit dem Material Cubicure Precision in Kombination mit der Hot Lithography Technologie besteht eine wirtschaftliche Alternative zum Mikrospritzguss. Ein Applikationsfeld sind beispielweise Mikrodüsen. Der hochpräzise Fertigungsprozess mit einer Auflösung von standardmäßig 25 µm erlaubt feinste Düsenöffnungen und -auslässe sowie interne, sich verzweigende Kanäle in komplexen Geometrien. Anwendungen finden sich für das transparente und ungefüllte Material mit einer Zugfestigkeit von 67 MPa und einer Bruchdehnung von 10 % im Bereich der Feinmechanik und in der Mikrofertigung. Aber auch in der Elektronik ergeben sich, aufgrund des HDT (B) von 88 °C des Kunststoffs, neue Applikationsfelder. Ihre finalen Materialeigenschaften erhalten die 3D-gedruckten Kunststoffbauteile durch einen kurzen Härteprozess im UV-Ofen.
Das Hochtemperaturmaterial Thermo Blast hält Umgebungsbedingungen von bis zu 300 °C stand und eignet sich damit für extreme Bedingungen. (Bildquelle: Cubicure)
Die Elektronikbranche, der Automotivebereich, aber auch der Luft- und Raumfahrtsektor stellen die additive Fertigung von Kunststoffen auf den Prüfstand. Gefordert sind beispielsweise eine hohe Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Der Materialentwickler hat auf diese Anforderungen reagiert und das Hochtemperaturmaterial Thermo Blast ausgearbeitet, das sich vor allem durch einen HDT (B) von 270 °C auszeichnet und eine Zugfestigkeit von über 70 MPa aufweist. Der chemikalienbeständige Werkstoff, der Umgebungsbedingungen von bis zu 300 °C standhalten kann, bietet auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Fertigung von Werkzeugen.
Flammbeständiges Photopolymer
Neben ungefüllten Photopolymeren werden außerdem spezielle Füllstoffe in der Materialentwicklung für eine Funktionalisierung, wie beispielsweise elektrische, magnetische und brandhemmende Eigenschaften, eingesetzt. UL94 V0-zertifizierte Kunststoffteile konnten bisher lediglich mittels FFF-Verfahren (Fused-Filament-Fabrication) additiv gefertigt werden. Ende 2019 wird das Unternehmen das weltweit erste flammbeständige Photopolymer auf den Markt bringen, das der UL94-Klassifizierung entspricht und in der Stereolithographie verarbeitbar ist. Additiv gefertigte Kunststoffbauteile sind dann auch für die Elektronik- oder Automotivebranche sowie die Bahnindustrie zugänglich, in denen diese Sicherheitsanforderungen und Qualitätskriterien erfüllt werden müssen.
