KEM Konstruktion 05.2018

Bild: Hochschule Landshut
Bild: Hochschule Landshut
Die Materialvielfalt für den 3D-Druck wächst, der Anspruch –
vor allem für die Serienfertigung – aber auch
Für die additive Serienfertigung sieht Julius Riedelbauch (BMW Group) auf
dem Praxisforum 3D-Druck der Hochschule Landshut vor allem noch Handlungsbedarf
hinsichtlich dauerhaft verlässlicher Werkstoffeigenschaften
Filamente für anspruchsvolle 3D-Druck-Produkte
Das Kooperationsnetzwerk 3D Composite Print (3D-CP) forscht unter
Leitung der Fraunhofer-Projektgruppe Regenerative Produktion
in Bayreuth an neuen Lösungen zur Industrialisierung der additiven
Fertigung. Projektleiter Markus Kafara sieht dabei etwa Bedarf,
neue Filamente speziell für den Einsatz bei KMU zu entwickeln. Einige
relevante technische Kunststoffe wie beispielsweise Polyamid
12 oder ABS lassen sich bereits zuverlässig mit additiven Prozessen
verarbeiten. Im Bereich der Photopolymere lassen sich unterschiedlichste
Materialeigenschaften (beispielsweise Transparenz, Farbe,
Shore-Härte) einstellen. Dennoch können aktuell nicht alle Anwendungen
bedient werden, da der geforderte Werkstoff mit additiven
Verfahren nicht prozessiert werden kann.
Als Spezialist für die Herstellung von Filamenten betont Sven Wohkittel
von Rheneon Materials die Bedeutung von Kenntnissen über
die eingesetzten Materialien und deren Eigenschaften. Diese seien
grundlegend, um die 3D-Technologie weiter zu etablieren. Insgesamt
müsse man gerade in der industriellen Produktion darauf achten,
hochwertige Materialien zu verwenden, da etwa auch Farbmittel
die Ursache für die Schrumpfung und den Verzug von gedruckten
Bauteilen sein können. Polymerqualität, Lichtechtheit und UV-Stabilität
seien ebenfalls wichtige Kenngrößen. Zusätzlich müssten die
Filamente eine gute Reproduzierbarkeit versprechen, einen geringen
Wasseranteil aufweisen und natürlich den technischen Anforderungen
entsprechen. Schon die zur Filamentenherstellung verwendeten
Maschinen entscheiden maßgeblich über die Qualität: Der
Durchmesser mit definierter Maßhaltigkeit hat erheblichen Einfluss
auf die Druckbarkeit, ebenso die Ovalität des Filaments und die Anzahl
von Knoten. Vakuolen im Filament beeinflussen zudem Schmelze
und Austrag.
Um optimale Ergebnisse erzielen zu können, sei die individuelle, auf
die jeweiligen Anforderungen angepasste Verwendung bzw. Entwicklung
von Filamenten notwendig: „Denn nicht alle am Markt verwendeten
Polymere oder Materialkombinationen können zu einem
druckfähigen Filament verarbeitet werden, auch wenn diese Materialien
in anderen Fertigungsprozessen wie etwa dem Spritzgießen
etabliert sind. Das gilt besonders für gefüllte Materialpräparationen“,
sagt Wohkittel. Bei diesen faserverstärkte Materialien sieht er aktuell
eine stark steigende Nachfrage. Für den 3D-Druck müssten dabei
jedoch andere Filamente als beim Spritzguss eingesetzt werden.
Unter anderem sei die zu verarbeitende Füllstoff-Teilchengröße zu
berücksichtigen und die Abnutzung der Anlagen infolge des
Füllstoff einsatzes müsse ebenfalls berücksichtigt werden. Ein Füllgrad
von 20 bis 40 % CFK-Fasern mit Polyamid als polymeren Träger
ist dabei möglich und auch schon umgesetzt worden. Ebenso sind
bis zu 60 % Metall im Kunststoff möglich, was jedoch den Herstellungsprozess
des Filaments durch die hohe Abrasivität des Materials
verkompliziert: „Unser Extruder ist daher stark gepanzert und
hält das aus. Viele unserer Online-Wettbewerber sind da aber viel
simpler aufgestellt und können solche Spezialvarianten daher nicht
fahren“, erklärt Wohkittel.
Die Versuche von Rheneon Materials zeigen, dass hochgefüllte CFK-
Präparationen für den 3D-Druck auf Standarddruckern im FDM-Verfahren
geeignet sind, und damit noch eine Vielzahl anderer Materialkombinationen
dem breiten Anwenderspektrum zugeführt werden
können. Auch aus hochgefüllten Compounds mit Mineral-, Glasoder
Aramid-Fasern sowie Graphitzusätzen lassen sich nach Ansicht
der Experten druckbare Filamente herstellen. Zur jeweiligen Materialgruppe
sind aber individuelle Entwicklungen notwendig, zudem
müssen die Drucksysteme auf die herausfordernden Bedingungen
angepasst werden. Die in herkömmlichen Verarbeitungsverfahren
eingesetzten Materialien und Materialmischungen müssen in Einzelfällen
auf die Verarbeitbarkeit im FFF-3D-Drucker abgestimmt, die
Rezepturen möglicherweise umgearbeitet werden (Material-Homogenität,
Größe der Füllstoffteilchen etc.).
Kupfer in Stahl eindrucken
Im Metall-3D-Druck wird derzeit vor allem die Kombination unterschiedlicher
Werkstoffe und die Verbindung mit herkömmlichen Verfahren
wie Fräsen, Drehen und Drucken auf einer Maschine immer
weiter vorangetrieben. Das MPA-Verfahren von Werkzeugmaschinenhersteller
Hermle etwa basiert auf Metallpulver, das in einer Düse
auf Überschall beschleunigt und nicht geschmolzen, sondern
über kinetisches Kompaktieren mit dem restlichen Material, etwa
einem bestehenden Grundbauteil, verbunden wird. Das erlaubt et-
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