Herausforderungen der steigenden Materialvielfalt im 3D-Druck

Additive Fertigung

Wachsender Markt für 3D-druckfähiges Material

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Neben der eigentlichen Technik entwickelt sich auch das Materialangebot im 3D-Druck rasant: Faserverstärkte Filamente, Kombination verschiedener Metalle, Glas, Keramik und Lebensmittel. Parallel steigen bei den schon bekannten Materialien die Qualitätsansprüche stetig, dabei fordert vor allem die Serienfertigung eine hohe Konsistenz sowie gesicherte Eigenschaften.

Tobias Meyer, freier Mitarbeiter der KEM Konstruktion

Ob Pizza, Organe, Zahnersatz oder Turnschuhe: Für den 3D-Druck stehen immer mehr Werk- und Füllstoffe für optische und haptische Effekte parat. Auch Nano-Strukturen, die Gecko- oder Lotuseffekte ermöglichen, sowie Glas wird mittlerweile gedruckt, in eine Kunststoffmatrix eingebettete Kohle-, Glas- oder Kevlarfasern vervielfachen Festigkeit und Steifigkeit. Auch der Druck von Silikonen bieten der Industrie weitere neue Einsatzmöglichkeiten, ebenso hybride Fertigungsstrukturen, also die Kombination von unterschiedlichen Materialien. Das Landshuter Praxisforum 3D-Druck hat sich zum Ziel gesetzt, über Trends und Entwicklungen der 3D-Drucktechnologien zu informieren. Es bietet eine themen- und branchenübergreifende Plattform, in dem Experten aus Industrie und Wissenschaft ihre Erfahrungen und aktuelle Erkenntnisse aus dem Bereich der Additiven Fertigung austauschen. Laut dem Wissenschaftlichen Leiter Prof. Norbert Babel der Hochschule Landshut werde vor allem die Automobilindustrie dazu beitragen, den 3D-Druck in der Serienfertigung zu forcieren.

Bestätigt wird das von Julius Riedelbauch vom Additive Manufacturing Center der BMW Group. Der Autobauer habe bereits stark in entsprechende Infrastruktur investiert, pro Jahr würden im 3D-Druck weit mehr als 100.000 Teile zentral gefertigt. In Einsatz komme additive Fertigung vor allem im Protoypenbau und im After- Sales- bzw. Ersatzteilbereich bei geringen Stückzahlen. Riedelbauch zeigt am Beispiel eines Wasserpumpenrads für die DTM, dass der 3D-Druck in der Kleinserie günstiger ist und den hohen Anforderungen sogar besser entspricht als das ursprüngliche Spritzguss-Teil. Auch bei Montagehilfsmitteln in der Produktion, wie z.B. zum Arretieren von Zahnrädern bei der Montage sowie bei individuell angepassten Daumenstützen kommt die Additive Fertigung zum Einsatz. Neben der Kostenfrage stehen laut Riedelbauch die Reproduzierbarkeit und die Schaffung von Mehrwert im Fokus. Besondere Chancen bieten dabei die Möglichkeiten der Individualisierung, z.B. bei Premiumfahrzeugen durch individuell vom Kunden mitgestaltete Designteile. So wurde etwa für einen Yacht-Hersteller dessen Logo auf den Bremssätteln realisiert. Besonders bei der Serienfertigung steigen die Materialanforderungen, hier sieht Riedelbauch noch Handlungsbedarf, speziell hinsichtlich abgesicherter Eigenschaften, Werkstoffe zu zertifizieren dürfte daher immer wichtiger werden.

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 Füllstoffeinsatzes 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-, Glas- oder 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 etwa die direkte Integration von Wärmeleitern aus Kupfer in ein Stahlbauteil, auch Edelstahl, Invar, Reineisen und Bronze sind aktuell kombinierbar. Ebenso können Heizelemente direkt mit dem Grundkörper verbunden werden, was eine höhere Effizienz verspricht als reines Verpressen. Vor allem zum Einsatz kommt das Hybride Verfahren derzeit in der Herstellung von Spritzguss-Werkzeugen, wobei diese einen der Oberfläche folgenden Kühlkanal erhalten. Dabei wird ein Rohling samt der entsprechenden Kanäle klassisch gefräst, gegenüber einer komplett generativen Fertigung eines Werkzeugeinsatzes ist die Verwendung des Halbzeugs kosteneffizienter. Der Anteil der additiven Fertigung beschränkt sich dann auf das Verfüllen der Kanäle mit einem wasserlöslichen Füllmaterial und den anschließenden Auftrag der Deckschicht aus Stahl. Dabei sind auch komplexe Oberflächenformen problemlos machbar, denn die Schwenkfunktion des Tisches im 5-Achs-Bearbeitungszentrum kann hier mitgenutzt werden.

Auch DMG Mori arbeitet zusammen mit der Schaeffler-Gruppe an einem Projekt, durch das die generative Fertigung auch die hohen Präzisionsansprüche der Wälzlagerfertigung erfüllen soll. Hierbei will man künftig verschiedene Materialien kombinieren und so Komponenten wie Lagerringe herstellen, die innen und außen unterschiedlich und individuell auf die dort benötigten Eigenschaften abgestimmt werden können. Die verwendete Serienmaschine verfügt über zwei Pulverförderer und bietet die Möglichkeit, den Übergang zwischen zwei Materialien beim Laserauftragsschweißen gezielt zu steuern. Dadurch entstehen gradierte Materialien, die fließende Werkstoffeigenschaften aufweisen. Somit lassen sich beispielsweise Zähigkeit und Härte im Aufbauprozess regulieren. In dem Kooperationsprojekt testen die Partner geeignete Materialien, um die Entwicklung additiv hergestellter Wälzlagerkomponenten in kleinen Losgrößen mittels Laserauftragsschweißen voranzutreiben. Zudem ergeben sich durch die Materialgradierung weitere Entwicklungsmöglichkeiten, etwa für E-Motoren: So könnten magnetische und nicht-magnetische Materialien kombiniert und so die Eigenschaften bedarfsgerecht am Bauteil eingestellt werden. Die integrierte 5-Achs-Simultanbearbeitung erlaubt zudem eine Herstellung von Bauteilen in Fertigteilqualität in einer Aufspannung, wodurch Schaeffler auch Potenzial für die Serienfertigung sieht.

Abseits der klassischen Industrie

Thomas Lötzbeyer vom Institut für Lebensmitteltechnologie der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf verdeutlicht, wie mit 3D-Druck neue Geschäftsmodelle entstehen können. Der Lebensmitteldrucker Procusini ist die Entwicklung des vor vier Jahren als Spin-off der Hochschule gegründeten Unternehmens Print2Taste. Lötzbeyer begleitete das Unternehmen von der ersten Idee über die verschiedenen Evolutionsschritte bis zur heutigen Generation des 3D-Druckers für individualisierte Lebensmittel. Finanziert wurde das Projekt über Crowdfunding, was gleichzeitig unfreiwillig als Marktforschung fungierte: Den schnell zeigte sich während der Kampagne, dass nicht die Variante für Privatnutzer sondern das Pro-Modell besonders gefragt waren. Entsprechend wurde das Unternehmen im Anschluss ausgerichtet. Inzwischen wird das System in professionellen Küchen und bei Catering-Unternehmen für den Druck von Designelementen aus Schokolade und Marzipan für die Erlebnisgastronomie eingesetzt. Vom flachen Firmenlogo aus Pasta als Beilage auf dem Teller bis zum komplett dreidimensionalen Schloss Neuschwanstein oder individuellen Hochzeitstorten-Figuren aus Marzipan ist alles möglich, der dafür nötige 3D-Scan erfolgt über ein handelsübliches Tablet. Zudem werden dem Nutzer über eine Web-Plattform bereits gestaltete Vorlagen zur Verfügung gestellt. Entscheidend sei laut Lötzbeyer auch hier das Material-Know-how im Lebensmittelbereich gewesen, daher kann auch nicht jeder beliebige Teig in die Maschine gefüllt werden, sondern nur speziell dafür entwickelte Lebensmittel. Prinzipiell seien aber die meisten industriell verarbeiteten Lebensmittel wie Back‐, Wurst‐ oder Teigwaren denkbar. Aktuell sind mit Procusini bereits 15 verschiedene Produkte, etwa Pasta-, Fondant- und Cassisarten druckbar, die per Kartusche in den Drucker eingelegt werden.

www.3d-cp.de

Details zum Praxisforum 3D-Druck der Hochschule Landshut:
www.hier.pro/0cPRw

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