Bauteil-Prototypen, die im additiven Freiformgießen hergestellt wurden.
FhG-IPA / Rainer Bez
Kleinserien, Prototypen und Einzelbauteile aus Kunststoff lassen sich inzwischen häufig schneller und preiswerter additiv fertigen als im klassischen Spritzguss. Außerdem lassen sich komplexe Strukturen und integrierte Funktionalitäten im Additive Manufacturing realisieren – aber der 3D-Druck hat auch Schwachstellen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, das die jeweiligen Vorzüge von 3D-Druck und Spritzguss vereint.
Bei der verbreiteten Methode des FLM-Drucks (Fused Layer Modelling) handelt sich um ein Strangablegeverfahren, bei dem der Werkstoff über einen dünnen Kunststoffdraht, das sogenannte Filament, hinzugeführt wird, wie die Springer-Autoren Peter Hartogh und Thomas Vietor in "Additive Manufacturing Quantifiziert" erklären: "Das Filament wird unmittelbar vor dem Ablegen aufgeschmolzen und durch eine Düse extrudier. Die Düse wird in einer Ebene zweidimensional geführt, sodass ein Abzeichnen von definierten Konturen ermöglicht wird. Das aufgeschmolzene Filament wird auf einer Bauplattform abgelegt. Nach Fertigstellung einer Schicht senkt sich die Bauplattform um die definierte Schichtdicke ab, sodass die folgende Schicht abgelegt werden kann" (Seite 52).
FLM-Verfahren auf Thermoplaste beschränkt
Da die Düse das Druckmaterial in Strängen parallel zueinander ablegt, entstehen allerdings Bindenähte und vielfach auch poröse Bereiche. "Das Material liegt nicht 'voll' in der Form, wie etwa beim Gießen. Dadurch sind die mechanischen Eigenschaften des Bauteils schlechter", sagt IPA-Experte Jonas Fischer. Außerdem trage die Düse beim FLM-Verfahren jede Schicht einzeln auf. Bis ein großes Bauteil aufgebaut sei, vergehe viel Zeit. Ein weiterer Nachteil: Mit dem FDM-Druck lassen sich nur Thermoplaste verarbeiten, also Kunststoffe, die beim Erhitzen weich werden. Duroplaste, die nach dem Aushärten auch bei Wärmezufuhr stabil bleiben, können nicht gedruckt werden.
Drei Minuten bis zum Aushärten
Mit dem additiven Freiformgießen haben die Stuttgarter Forscher jetzt einen Weg gefunden, den additiven Prozess mit einem Gießverfahren zu kombinieren. Im ersten Schritt bauen sie die Hülle des Bauteils im FLM-Verfahren aus dem wasserlöslichen Kunststoff Polyvinylacetat (PVA) auf. Anschließend füllen sie die Hülle mit einer präzise dosierten Menge an Polyurethan oder Epoxidharz. Bei Polyurethan dauert es nur drei Minuten, bis die Füllung getrocknet ist, heißt es in einer Mitteilung des IPA. Sobald der Prozess abgeschlossen und das Bauteil ausgehärtet ist, wird die Form im Wasserbad entfernt. So entsteht ein 3D-gedrucktes Werkstück, mit Eigenschaften, die dem Spritzguss ähneln.
Partner zur Weiterentwicklung gesucht
Inzwischen haben die IPA-Forscher unterschiedliche Bauteile als Prototypen realisiert. Jetzt halten sie nach Industriepartnern Ausschau, die sie dabei unterstützen, den Prozess – den sie mit einem Video anschaulich demonstrieren – zur Serienreife weiterzuentwickeln. Gefragt sind aus Sicht der Forscher auch Materialhersteller, mit denen sie gemeinsam die Eigenschaften des Zwei-Komponenten-Gemischs verbessern können. Ebenso seien Unternehmen willkommen, die Ideen für Duroplast-Anwendungen in ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt einbringen wollen.