Auf der TCT Asia 2021 fertigte ein Freeformer von Arburg erstmals funktionsfähige und belastbare Flip-Top-Verschlüsse, aus teilkristallinem PP und weichem TPE. (Bild: Arburg)
Es ist ein komplexes Thema, das fängt beim Namen schon an: 3D-Druck, additive Fertigung, generative Verfahren… viele Bezeichnungen, die im Grunde immer dasselbe meinen: Das Herstellen von Werkstücken, in dem ein Material Schicht für Schicht aufgetragen wird. Und mit dem Bereich Material soll dieser Beitrag auch beginnen.
Eines der bisher am häufigsten eingesetzten Materialien ist Polyamid (PA). Mit gutem Grund, denn nicht nur ist es schlagzäh und fest, sondern auch beständig gegenüber organischen Lösungsmitteln. Auf diesem Feld gaben Evonik, Essen und Farsoon, Stuttgart, laut eigenen Angaben der größte chinesische Hersteller von SLS 3D-Druckern, kürzlich eine Kooperation bekannt. Kern des Projekts sind Tests mit dem Evonik Polyamid Infinam PA 6005 P auf Fasoon-Maschinen der Baureihen ST25P und HT403P mit dem Ziel, großindustrielle Anwendungen im höheren Temperaturbereich zu entwickeln. „Eine enge Zusammenarbeit zwischen Material- und Maschinenherstellern ist von essenzieller Bedeutung, um neue 3D-Anwendungen zu erschließen. Die Ergebnisse unserer Testreihen bringen es eindeutig zum Ausdruck: Infinam PA 6005 P mit seinem höheren Schmelzpunkt von 215 °C lässt sich auf den ST252P- und HT403P-Maschinen von Farsoon nicht nur exzellent verarbeiten, sondern auch wiederverwenden“, erklärt Wolfgang Diekmann, Director Research, Development & Innovation Additive Manufacturing bei Evonik.
Kreislauf in der 3. Dimension
Mit dem Stichwort „wiederverwenden“ greift Diekmann ein Thema auf, dass die Kunststoffindustrie ohnehin seit geraumer Zeit bewegt und nun auch verstärkt im Bereich 3D-Druck wichtig wird: das der Kreislaufwirtschaft. Denn additive Verfahren sind nicht mehr nur für einzelne Prototypen im Einsatz, sondern auch für Kleinserien – und perspektivisch immer wichtiger in der „richtigen“ Produktion. Weshalb sich die Entwickler von Materialien verstärkt mit Recycling beschäftigen.
Eine recht aktuelle Entwicklung kommt aus dem fränkischen Bayreuth: Polypropylen (PP) ist für die Industrie nicht gerade ein Fremder, sondern im Gegenteil, einer der meist verwendeten Kunststoffe – allerdings nicht in der additiven Fertigung. Denn aufgrund seiner teilkristallinen Struktur ergibt sich beim Abkühlungsvorgang ein Materialschwund, der zu einem Verzug führt. Das Unternehmen Neue Materialien Bayreuth (NMB), Bayreuth, hat nun eine modular aufgebaute LAAM-Anlage (Large Area Additive Manufacturing) entwickelt, mit dem sich zielgerichtet Materialien herstellen lassen. Denn über die Wahl des Polymerisationsbedingungen und den eingesetzten Katalysatoren lässt sich das Eigenschaftsprofil von PP „maßschneidern“. Als vielversprechenden Basistypen identifizierten die Forscher dabei PP Copolymere, die einen vergleichsweise geringen Kristallinitätsgrad und damit Verzug aufweisen, was allerdings auch eine etwas geringere Steifigkeit und ein geringeres Elastizitätsmodul zur Folge hat.
Die DX-Anlagen von Weber Maschinenfabrik sind speziell für großvolumige Bauteile konzipiert. (Bild: Weber)
Kommerziell erhältliche Pellets dieser Art wurden nun so optimiert, dass sich beim Extrudieren auch eine gute Schichthaftung der einzelnen Lagen ergibt. Hiermit entstand zur Veranschaulichung ein Hocker, dessen Sitzfläche aus expandiertem Polypropylen (EPP) und der Rest aus von NMB optimierten PP besteht – eine Monomateriallösung also, die sich gut recyceln lässt.
Am nächsten Schritt arbeiten derzeit Covestro, Leverkusen und Polymaker. Die beiden Unternehmen haben es sich zum Ziel gesetzt, ein Polycarbonat-Filament zu entwickeln, das aus recyceltem Kunststoff besteht. Um möglichst reines Polycarbonat (PC) zu erhalten, nutzen die Partner exklusiv 19-l-Flaschen des chinesischen Wasserlieferanten Nongfu Spring. Dies erspart nicht nur eine aufwendige Vorsortierung, wodurch der Prozess deutlich effizienter wird, sondern sichert auch die Versorgung mit ausreichenden Mengen. Denn anders als in Europa sind großvolumige Wasserbehälter stark verbreitet. Die Kunststoffabfälle vermischt Covestro mit Neuware, um daraus im Anschluss Filamente zu extrudieren. Tests haben laut Hersteller bereits gezeigt, dass das Polymaker-PC-r-genannte Material leicht zu verarbeiten ist sowie über gute Werte bei Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Biegefestigkeit sowie Biegemodul aufweist. Zielmärkte sehen die Projektpartner im Bereich Automotive sowie Elektronikanwendungen.
Freiheit beim Formen
Dass sich additive Verfahren für eine ganze Bandbreite von Anwendungen eignen, lässt sich recht gut am Freeformer von Arburg, Loßburg zeigen: Nicht nur lassen sich damit sowohl Standardgranulate sowie FDA-zugelassene Originalmaterialien verarbeiten, sondern reichen die möglichen Einsatzgebiete von Anwendungen in der Automobilzulieferer-Industrie bis hin zum Drucken individualisierter Tabletten, die ihre Wirkstoffe dann gezielt abgeben. Dabei sind die Geräte von Arburg in der Lage, stoffschlüssige Verbindungen in Hart-Weich-Kombination zu produzieren. Um das Können der Maschine unter Beweis zu stellen, fertigte ein Freeformer auf der im Mai dieses Jahres stattgefundenen TCT Asia funktionsfähige und belastbare Flip-Top-Verschlüsse, aus teilkristallinem PP und weichem TPE; ein Novum im Bereich der additiven Fertigung.
Auf ein Projekt mit dem Freeformer ist Gerhard Böhm, Geschäftsführer Vertrieb und Service bei Arburg, aber ganz besonders stolz: „Ein Leuchtturmprojekt für die Verkürzung der Time-to-Market ist die multifunktionale Mund-Nasen-Maske, die Arburg selbst entwickelt und produziert hat. Der Freeformer fertigte die Prototypen und in einer Rekordzeit von nur 41 Tagen konnten die Masken in Großserien spritzgegossen werden. Das Praxisbeispiel zeigt, welche Power die additive Fertigung in Verbindung mit dem Spritzgießen entwickeln kann.“ Grundsätzlich ermutigt Böhm seine Kunden: „Think additive – nur so lässt sich echter Mehrwert schaffen.“ Große Potenziale sieht Böhm dabei vor allem bei belastbaren Funktionsbauteilen im Multimaterial-Design, in egrierten Funktionen, wie sie sich mit dem klassischen Spritzguss nicht realisieren lassen, sowie der additiven Fertigung von Leichtbaustrukturen, da sich mit dem Freeformer innerhalb eines Bauteils die Dichte und Füllgehalt variieren lassen.
Groß denken, groß drucken
Während die meisten mit additiven Verfahren hergestellten Artikel meist kleinere Dimensionen haben, haben sich die Ingenieure bei Hans Weber Maschinenfabrik eine Lösung ausgedacht, deren Leitmotiv „Think Big“ lautet: Die Direktextrusionsanlagen, die also direkt Kunststoffgranulate statt Pulver oder Filamente verarbeiten und die der Hersteller DX-Anlagen nennt, sind speziell für großvolumige Bauteile konzipiert, also Anwendungen in den Bereichen Design, Architektur und Innenausbau, aber auch Kleinserien für die Luft- und Raumfahrt sowie den Formen- und Werkzeugbau.
Kernelement der Anlagen ist ein auf hohen Materialausstoß ausgelegter Additive-Extruder, der über eine optimierte Schneckengeometrie sowie einem robusten Servoantrieb verfügt. Außerdem legte der Hersteller bei der Entwicklung, aufgrund des bewegten Einsatzes Wert auf die Leichtbausweise des Extruders. Um der Problematik des Verzugs von Werkstücken durch Temperaturschwankungen Herr zu werden, verfügt das System nicht über eine Doppeltür, die Luftströme abschottet, sondern auch über eine Bauplattform, die sich auf bis zu 150 °C aufheizen lässt.
Das Ganze allerdings noch einen Schritt weitergedacht: In Kombination mit einem aktiv beheizten Bauraum – an dessen Implementierung Weber gegenwärtig arbeitet – wird die Verarbeitung von Hochtemperaturwerkstoffen ermöglicht. In diesem Kontext spielen Themen wie werkzeuglose Fertigung und möglichst geringe Materialverschwendung eine große Rolle, da hier Materialkosten nochmals deutlich höher liegen als bei Standardgranulaten. Auch ergibt sich gegenüber dem Druck mit Kunststofffilament (FDM) ein immenser Kostenvorteil durch die Verarbeitung von Granulat.
Drucken oder drucken lassen?
Für Kundenprojekte kommt bei Igus laut Tom Krause am häufigsten das SLS-Verfahren zum Einsatz. (Bild: Igus)
Nicht für jeden lohnt gleich die Anschaffung eines eigenen Systems zur additiven Fertigung. Für solche gibt es mittlerweile Dienstleister, die Privat- und Industriekunden beratend zur Seite stehen und Prototypen oder auch Kleinserien für diese herstellen. Einer dieser 3D-Druck-Dienstleister ist Igus, Köln. Ob nun ein einzelnes gebrochenes Zahnrad eines Spiel zeugautos oder 10.000 lasergesinterte Produkte – unter den rund 5.000 Kunden des Unternehmens findet sich die gesamte Bandbreite. „Allen diesen Kunden wollen wir damit einen Lebensdauer-, Kosten- oder Zeitvorteil verschaffen. Prinzipiell wird der 3D-Druckservice mit unseren Gleitlagermaterialien sehr gut angenommen. Was aber nicht verwunderlich ist, da wir quasi jede beliebige Form über Nacht herstellen können, wenn wir die Information und Daten bis elf Uhr erhalten. Die gedruckten Teile müssen nicht geschmiert werden, sind wartungsfrei und besitzen dann eine Verschleißfestigkeit, die sogar höher ist als herkömmlich hergestellte Kunststoffbauteile aus regulären Kunststoffen. Bei Anwendungen und an Stellen, wo sich etwas bewegt, sind das unschlagbare Vorteile,“ erklärt Tom Krause, Leiter Geschäftsbereich additive Fertigung bei Igus.
Das gilt auch für Lösungen im Hygienebereich wie die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, für die das Unternehmen mit Hauptsitz in Köln unlängst einige Neuheiten vorstellte. Dazu gehören verschiedene SLS- und FDM-Materialien mit FDA- und EU10/2011-Konformität sowie ein lebensmittelkonformer 3D-Druckservice für Kundenprojekte.
Damit Igus keinem seiner Kunden einen Wunsch ausschlagen muss, verfügt der Dienstleister über Anlagen für Selektives Lasersintern (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM) sowie Rapid Tooling. „Am häufigsten kommt das Lasersintern bei uns zum Einsatz. Hiermit haben wir letztes Jahr schon mehr als 150.000 Teile nur am Hauptstandort in Köln hergestellt. Die SLS-Produktion an den Standorten in Boston und Shanghai sind darin noch nicht berücksichtigt. Beim Lasersintern bewegt sich der Laser rund 100-mal schneller als der Druckkopf beim FDM-Druck, dementsprechend sind die SLS-Bauteile wirtschaftlicher zu produzieren als diejenigen, die im FDM-Verfahren hergestellt sind. Zudem sind die SLS-Bauteile präziser und besitzen eine höhere Festigkeit. Unser Print-2-Mold Verfahren (Rapid Tooling) wird zusätzlich dort eingesetzt, wo ein besonderer Kunststoff benötigt wird, den wir aktuell noch nicht drucken können oder auch wenn ein Kunde zu einem Serienteil vorab schnelle und günstige Muster benötigt. Dabei kann der Kunde dann je nach Art der Anwendung aus der kompletten Auswahl aus über 50 Iglidur Hochleistungskunststoffen wählen, von hochbelastbar bis chemikalienresistent,“ kommentiert Krause.
Neueste Erweiterungen im Angebot bei Igus sind der 4K-Druck sowie smarte 3D-gedruckte Komponenten. Letztere kommen vor allem dort zum Einsatz, wo Ausfall- und Stillstandkosten sehr hoch sind, aber auch Anwendungen, wo zusätzliche Sensordaten benötigt werden. 4K-Bauteile wiederum sind dort interessant, wo unter anderem reguläre Kunststoffbauteile an ihre Grenzen kommen. So kann beispielsweise durch den zusätzlichen Einsatz des Igus Werkstoff Igumid P150 die Steifigkeit und Festigkeit von Bauteilen gesteigert werden. Zudem ist damit eine zusätzliche Funktionsintegration möglich, da sich zum Beispiel Dichtlippen direkt mit an das Bauteil drucken lassen.
