Größere Bauteile oder Multimaterialbauteile werden oft in mehreren Arbeitsgängen gefertigt – und anschließend verklebt. Klebflächen mit Hinterschneidungen und Hohlräumen erhöhen die Verbundfestigkeit.
Additiv gefertigte Produkte werden häufig in getrennten Arbeitsgängen hergestellt
Ruderer
Zu den vielgenannten Vorzügen der additiven Fertigung gehört der Folgende: Komplizierte Bauteilstrukturen lassen sich werkzeuglos in einem Fertigungsschritt herstellen. Oder etwas stärker auf den Punkt gebracht: Man erhält "Compexity for Free". Tatsächliche lässt sich Kompliziertheit mittels additiver Fertigung einfacher beherrschen als beispielsweise mit spanenden Verfahren, wie Roland Lachmayer, Tobias Ehlers und Rene Bastian Lippert im Kapitel Bauteilauswahl des Buchs Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung schreiben. Allerdings weisen sie darauf hin, dass kompliziertere Strukturen auch in der additiven Fertigung nur gegen Mehraufwand zu haben ist, unter anderem aufgrund der aufwendigeren Nachbearbeitung der Bauteile. Auch in der additiven Fertigung sollten die Teile deswegen stets so einfach wie möglich konstruiert werden.
Trotzdem lässt es sich oft nicht vermeiden, dass additiv gefertigte Strukturen in getrennten Arbeitsgängen hergestellt werden, beispielsweise als Halbschalen, die erst im Rahmen der Nach- und Weiterverarbeitung zum finalen Bauteil gefügt werden. Dafür gibt es mehrere Gründe: Zum einen zwingt der begrenzte Bauraum in den Fertigungsanlagen, größere Bauteile aus Einzelstücken zusammenzusetzen. Zum anderen werden Einzelteile häufig aus unterschiedlichen Materialien oder mit abweichenden Materialstrukturen gefertigt. Dazu kommt, dass additiv gefertigte Teile teilweise mit Komponenten aus konventioneller Fertigung gefügt werden müssen. Insbesondere im kunststoffbasierten 3-D-Druck spielt für die Verbindung der einzelnen Teile die Klebtechnik eine wichtige Rolle. Zu den am weitesten verbreiteten Kunststoffen in der additiven Fertigung zählen Polyamid (PA), Polylactide (PLA), Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE) und Polyethylenterephthalat (PET).
Adhäsives Versagen ausschließen
Mehrere Artikel in der Zeitschrift Adhäsion 11/22 befassen sich mit dem Kleben in der additiven Fertigung. Im Beitrag Prozesssicher Kleben im industriellen 3D-Druck schreibt Jens Ruderer, dass die bereits vielfach im 3-D-Druck eingesetzten Spezialklebstoffe, beispielsweise Diffusionsklebstoffe, Bauteile nicht nur adhäsiv verbinden, sondern, im Falle thermoplastischen Fügepartnern, auch quellschweißend.
Eine Herausforderung ist allerdings die Verbindung schwer klebbarer Kunststoffe wie PA und PLA. Raphael Freund und Stephan Koch von der TU Braunschweig schlagen für solche Anwendungen eine Mechanische Verankerung von Klebverbindungen vor. Dafür werden die Fügeflächen der einzelnen Teile eines Multimaterialverbunds mit Hinterschneidungen oder Hohlräumen versehen. Der Klebstoff dringt darin ein und härtet aus. Über die entstehende formschlüssige Verbindung werden die Fügeteile gewissermaßen ineinander verankert. Solche Klebverbindungen mit komplexen Gitterstrukturen an den Fügeflächen lassen sich laut der Autoren nur durch kohäsives Versagen wieder lösen. Adhäsives Versagen ist ausgeschlossen.
Bis zu 470 % höhere Verbundfestigkeit
Im Projekt Design2Bond untersuchen die Wissenschaftler, wie sich die geometrischen Einflüsse der Gitterstruktur auf die Verbundfestigkeit auswirken. Fest steht dabei, dass dehnungsorientiertes Verhalten im Gitter der Festigkeit zuträglich ist. Doch dies ist nicht die einzige Anforderung in der Gittergestaltung. So darf eine bestimmte Porengröße im Gitter nicht unterschritten werden, um sicherzustellen, dass der Klebstoff die Gitterstäbe noch umfließen kann. Ferner darf das Gitter keine Kerbspannungen um Klebstoff hervorrufen. Mit wenigen Gitterstäben sollte eine möglichst große Hinterschnittfläche erreicht werden.
Anhand unterschiedlicher im Materialextrusionsverfahren gefertigter Polypropylen(PP)-Gitterstrukturen haben die Wissenschaftler die Verbundfestigkeit getestet. Dafür wurden die PP-Teile mit Teilen aus Polymethylmethacrylat (PMMA) beziehungsweise PC verklebt. Nach Angaben von Freund und Koch liegen die Verbundfestigkeiten aller geprüften Gitterstrukturen deutlich höher als bei Referenzbauteilen mit unbehandelten flachen Klebflächen, im besten Fall um 470 %. Gegenüber plasmavorbehandelten, glatten Klebflächen erreichen die Wissenschaftler um bis zu 60 % höhere Verbundfestigkeiten.