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3D-Druck mit Kunststoffen

3D-Druck mit Kunststoffen
Kunststoffe in der additiven Fertigung

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Kunststoffe waren die ersten Werkstoffe, die mittels Stereolithografie additiv verarbeitet wurden. Heute stellen sie noch immer die größte Gruppe an Werkstoffen für die additive Fertigung dar. Die additive Fertigung mit Kunststoffen wird aufgrund der günstigeren Kostensituation oftmals als Einstiegstechnologie benutzt.

Der Autor: Sebastian Ziegener

In der additiven Fertigung unterscheidet man die Kunststoffe nach ihrer vorliegenden Form (Filamente, Granulate, Harze und Pulver) und mit welchen Verfahren man sie verarbeiten kann. Filamente und Granulate werden mittels Extrusionsprozessen (FDM = Fused Deposition Modeling) verdruckt. Harze werden mit Hilfe der Stereolithografie (SL-Druck) und Binder Jetting verarbeitet. Pulver werden beim Lasersintern (SLS = Selectiv Laser Sintering) verwendet.

Herausforderungen an die Kunststoffe in der additiven Fertigung

Mit zunehmender Verbreitung der additiven Fertigung, entstehen erhöhte Anforderungen an den Fertigungsprozess und an die Produkte. Die additive Fertigung besitzt eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber der klassischen Fertigung (Trennen und Umformen) jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Gerade jene Nachteile bieten jedoch Möglichkeiten die Technologie der additiven Fertigung durch neue Entwicklungen zu verbessern.

Aufbaurate

Die additive Fertigung erlaubt eine wesentlich schnellere Produktentwicklung, indem es die Entwicklungszeit durch das Herstellen von funktionalen Prototypen wesentlich verkürzt. Im Vergleich ist die Herstellung von Produkten mit der additiven Fertigung, gegenüber Serienfertigungstechnologien wie dem Spritzgießen noch immer sehr langsam.

Die Herstellungsgeschwindigkeit ist von der Aufbaurate des additiven Verfahrens abhängig. Die schnellsten Aufbauraten erzielen die Verfahren, welche auf Harzen und deren Aushärtung durch UV-Strahlung basieren. Sie sind bis zu 100-mal schneller als andere AM-Verfahren und können Aufbauraten von bis zu 40000 cm³/h erreichen. Laser basierte Verfahren können Aufbauraten um die 30-35 cm³/h erzielen.

Wenn die Qualität des Produkts hoch sein muss, wird die Aufbaurate geringgehalten. So wird im medizinischen Bereich mit 1-5 cm³/h gefertigt während große Teile für Flugzeuge oder Modelle mit Raten um 120 cm³/h gefertigt werden.

Mechanische Eigenschaften

Die Entwicklung der additiven Fertigung schreitet fort; weg von der alleinigen Herstellung von Prototypen und Modellen zur Serienfertigung. Gleichzeitig wird erwartet, dass die Funktionalität und Qualität der Bauteile, denen die durch Trennen und Umformen hergestellt wurden, gleich oder besser ist.

Besonders hervorzuheben ist hier die Anisotropie. Sie beschreibt die Richtungsabhängigkeit werkstoffspezifischer Eigenschaften. Dies bedeutet, dass die mechanischen und technischen Eigenschaften eines Bauteils in den verschieden Belastungsrichtungen voneinander abweichen. Verbundwerkstoffe können die anisotropen Nachteile stark reduzieren können und ein isotropes Bauteil erzeugen.

Auflösung

Die Auflösung im 3D-Druck bezieht sich auf die kleinste mögliche Verschiebung der Düse oder Druckkopfes. Die Verschiebung wird mit einem klassischen kartesischen Koordinatensystem (x,y,z-Richtung) dargestellt. Die z-Richtung beschreibt die Schichtdicke des Bauteils. Bei pulverbasierten Materialien ist die Schichtdicke abhängig vom Korndurchmesser. Mit Druckverfahren können wesentlich höhere Auflösungen erzeugt werden.

Die XY-Richtung beschreibt die Strukturgröße, also den kleinsten möglichen Punkt. Je besser die Auflösung desto höher die Druckqualität. Hier gibt es eine Vielzahl von Faktoren, die wichtigsten sind jedoch das verwendete Material und das Verfahren. Kaum ein Verfahren, erzielt gute Auflösungen unterhalb von 100 µm. Hersteller geben bei der Auflösung meist nur den Wert der z-Achse an. Die Motoren in den 3D-Druckern lassen sich zum Teil bis zu 1 µm genau ansteuern, jedoch muss das Fließverhalten der Materialien berücksichtigt werden, um ein zufriedenstellendes Druckergebnis zu erzeugen.

Teile aus mehreren Kunststoffen oder Materialien

Die additive Fertigung wird häufig verwendet, um Prototypen und Modelle zu erstellen. Aus Demonstrations- und Ästhetikgründen werden die Prototypen in verschiedenen Farben hergestellt. Bei Filament-Druckern ist dies auch keine Schwierigkeit, inzwischen gibt es Drucker, welche mir mehreren Düsen ausgestattet sind. Um ein Objekt aus zwei grundlegend verschiedenen Materialien (Kunststoffe und Metalle) zu drucken, ist ein Wechsel des Bauteils zwischen verschiedenen 3D-Druckern notwendig. Pulver während eines Druckvorgangs zu wechseln ist zwar möglich, jedoch kann man Kontamination nur durch sehr langsames Austauschvorgang vermeiden.

Biokompatibilität

Die Medizintechnik ist eine vielversprechendsten Anwendungsgebiete für den 3D-Druck. Röntgenbilder oder MRT-Aufnahmen werden verwendet um personalisierte Prothesen, Zähne oder Gewebe zu drucken.

Materialien für die AM-Verfahren

Die Gruppe der Polyamide zählt zu den Thermoplasten und kommt in der additiven Fertigung in Lasersinteranlagen zum Einsatz. Die Polyamide sind zudem der am meist verwendete Kunststoff in der Spritgusstechnik. Die Verarbeitung von Kunststoffen im Spritzguss und bei der additiven Fertigung erfolgt allerdings unter völlig unterschiedlichen Bedingungen. Beim Spritzguss wird der Kunststoff vollständig aufgeschmolzen und anschließend unter hohem Druck eingespritzt und abgekühlt. Beim Lasersintern wird das Pulver lokal aufgeschmolzen und unter atmosphärischem Druck Schicht für Schicht aufgebaut. Die unterschiedlichen Prozesse haben einen wesentlichen Einfluss auf die Bauteileigenschaften. Aus diesem Grund war die Entwicklung von neuen Polyamiden notwendig, um ähnliche chemische und mechanische Eigenschaften zu wie beim Spritzguss zu erzielen.

Das bevorzugte Verfahren zum Verarbeiten von Polyamiden ist das Lasersintern (SLS). Durch Zugabe von weiteren Zusatzstoffen werden die Eigenschaften stark verändert. So wird z.B. durch die Zugabe von Aluminium Pulver die Steifigkeit des Endproduktes erhöht.

Der Hochtemperaturkunststoff PEEK (Polyetheretherketone), wird seit 2010 in der additiven Fertigung verwendet. Er ist hitzebeständig, chemisch resistent, hat eine hohe mechanische Festigkeit, geringes Gewicht und ist biokompatibel. Der Schmelzpunkt liegt bei 334°C, die Verarbeitungstemperatur liegt bei 350-380°C. PEEK ist mit einigen Lasersintern- und Filament-Drucker verarbeitbar. Aufgrund der Biokompatibilität wird PEEK vorrangig in der Medizintechnik wie bei dentalen und chirurgischen Anwendungen verwendet.
ABS: „Acrylnitril-Butadien-Styrol“ ist ein Thermoplast und das meist verwendete Material für FDM. Ähnlich wie Polyamid wird, es häufig im Spritzguss verwendet. ABS zeichnet sich durch seinen günstigen Preis, leichte Verfügbarkeit und hohe Festigkeit aus.

Fast alle Kunststoffe lassen sich heutzutage mit einem AM-Verfahren verarbeiten. Die meisten Hersteller von 3D-Druckern verkaufen auch entsprechende Materialien für ihre Drucker. Diese Materialien werden stetig verbessert, an neue Bedürfnisse und Entwicklungen angepasst.

Anwendung für additive Kunststoffprodukte

Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Produkten, welche aus Kunststoffen mit der additiven-Fertigung gedruckt werden:

Die Firma HEXR, hat eine App entwickelt mit deren Hilfe der Kopf vermessen werden kann und anschließend ein individueller Fahrradhelm mit persönlicher Gravur gedruckt wird.

Der Sportwagen Hersteller Porsche bietet in seinen Modellreihen 911 und 718 Schalensitz der Oechsler AG an, welche in verschieden Formen und Polsterungen erhältlich sind. Ab 2021 sollen auch individuelle Sitze erhältlich sein.

Audi hat 2019 eine eigene Abteilung ins Leben gerufen, welche für die Audi-Werke individuelle Hilfswerkzeuge bereitstellt. Diese sollen die Flexibilität und Effizienz an den Produktionsstätten erhöhen.

Durch die Coronakrise bekam die additive Industrie ein großes Medienecho. Zahlreiche Hersteller wie Siemens, Formlabs und Renishaw stellten ihr Knowhow zu Verfügung und produzierten medizinische Artikel wie Masken, Ventile für Beatmungsmasken und Aufsätze für Türgriffe in Krankenhäusern. Vorteil hier sind die hohe Flexibilität der additiven Fertigung und die Biokompatibilität der meisten Kunststoffe.

Die Vorteile von Kunststoffen in der additiven Fertigung

Im Vergleich zu der additiven Fertigung mit Metallen, sind Kunststoffe wesentlich günstiger. Sowohl in Anschaffung, Material und Unterhalt. Filamentdrucker sind bereits ab 100 € zu erwerben, die entsprechenden ABS-Filamente bekommt man unter 5€. Da die Verarbeitungstemperatur von Kunststoffen geringer ist als bei Metallen, für Hochleistungskunststoffe wie PEEK und PI (= Polyimide) liegt sie bei ca 350-380°C, sind die Energiekosten deutlich geringer.


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