Etablierung des 3D-Drucks als Herstellungsverfahren

In den vergangenen 10 Jahren erfährt das Rapid Prototyping seitens der Industrie ein starkes Interesse für den Einsatz in der Produktentwicklung. Die Industrie ist entschlossen, neue Wege zu gehen und ihre Zukunft neu zu definieren, wobei sie ihr Interesse auf den 3D-Druck ausweitet. Um die verschiedenen Wege zu prüfen, wird das praxisbasierte Testen der 3D-Druck-Technologie eine der strategischen Aktivitäten in mehr und mehr industriellen Betrieben. Einige dieser Testergebnisse haben die Industrie darin bestärkt, 3D-Druck-Technologie als Rapid Manufacturing-Verfahren zu verwenden. Die Fähigkeit, mittels generativer Verfahren kontrolliert Metall, Komposite und Hochleistungs-Polymere zu verarbeiten, eröffnet eine einzigartige Möglichkeit für die Industrie, neue Wege in der Fertigung zu beschreiten. Besonders in den letzten 5 Jahren haben faserverstärkte und Hochtemperatur-Polymere wie PEEK (Abbildung 1) aufgrund diverser Gründe besondere Beachtung durch mehrere Industriezweige erfahren.


Einige dieser Gründe beinhalten die Gedanken an Energieeinsparungen, Leichtbau-Konstruktionen, thermomechanische Leistungsfähigkeit, Biokompatibilität, chemische Inertheit oder elektrische Eigenschaften. Die Materialien sind daher der Hauptgrund, der die generativen Fertigungsverfahren für industrielle Anwendungen attraktiv macht. Polymere sind zweifelsohne die einzige Klasse an Materialien, die relativ einfach bei geringen Energiekosten und mit anderen Materialien zu Kompositen verarbeitet werden können. Dabei erfüllen sie gleichzeitig die verschiedensten Anforderungen in technischen und konstruktiven Anwendungen. Aufgrund dessen besteht die Notwendigkeit, die Verarbeitbarkeit der Polymermaterialien für die generative Fertigung intensiv zu untersuchen.

 

Abb. 1. Fused Filament Fabrication-3D-gedruckte Teile verschiedener Materialien.

Der Grundgedanke des Rapid Manufacturing beruht auf der schnellstmöglichen Herstellung funktionsfähiger Teile. In Kombination mit der Freiheit, komplexe Geometrien zu fertigen, ermöglicht Rapid Manufacturing ebenso die Massen-Anpassbarkeit in der Industrie. Während die Fertigungsdauer pro Teil nach wie vor eine Herausforderung für das Rapid Manufacturing bleibt, ist es verständlich, dass 3D-Druck-Technologien vor allem dafür entworfen wurden, Kleinserien und hochkomplexe Geometrien zu verwirklichen.

 

Abb. 2. Kostenvorteil-Vergleich zwischen generativer Fertigung und herkömmlichen Fertigungsverfahren. 

In anderen Worten, es existiert ein Markt für 3D-Druck oder generative Fertigung in Unternehmen. Auf dem Materialmarkt erweitern die Hersteller ihre Angebotspaletten und beziehen Materialien für die generative Fertigung mit ein, um die Anforderungen für die Werkzeugentwicklung, Gussformen, Stempel und Stützstrukturen für praxisbezogene Konstruktionsaufgaben zu erfüllen. Diese Materialien sind bezogen auf die klassischen 3D-Druck-Materialien wie ABS, PLA und Photopolymere vergleichsweise teurer. Die Kennwerte dieser Materialien sind jedoch deutlich besser, und die 3D-Drucker, welche diese Materialien verarbeiten können, sind in Ihrer Anschaffung ebenfalls teurer als jene, die im Hobbybereich oder für die reine Prototypen-Fertigung verwendet werden.

Die Verarbeitungsanforderungen für Hochleistungspolymere können sehr strikt sein. Als Beispiel sind bereits industriell etablierte, thermoplastische Materialien wie PEEK nicht leicht zu verarbeiten. Von den momentan bestehenden 3D-Druck-Technologien sind nur die Fused Filament Fabrication (FFF) und das Selective Laser Sintering (SLS) technisch in der Lage, PEEK zu verarbeiten. Diese Verarbeitungsmethoden unterscheiden sich jedoch deutlich voneinander und haben unterschiedliche Effekte auf das verarbeitete Material. Die gedruckten Teile unterscheiden sich in Ihrer Struktur, besonders auf mikroskopischer Ebene, weshalb die unterschiedlichen Verarbeitungsmethoden den Modellen unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Die technische oder wissenschaftliche Erklärung für diese Unterschiede ist nicht ganz trivial, kann aber im Allgemeinen zurückgeführt werden auf die thermische Belastung des PEEKs während der Verarbeitung mit dem Laser gegenüber dem bloßen Aufschmelzen und Erstarren des Materials beim FFF-3D-Druck. Diese Art der Diskrepanz, besonders im Hinblick auf die Eigenschaften der Teile, hat entschiedenen Einfluss auf die Vorzüge des Markts hinsichtlich der Methoden.

 

                  (a)                                                                                                            (b)

Abb. 3. (a) Zugversuch an einer Zugprobe aus PEEK (b) Zugfestigkeit und –dehnung für PEEK, verarbeitet mittels SLS und FFF.

Wir besitzen mittlerweile Beweise aus ca. 30 Jahren, die belegen, dass 3D-Druck-Technologien funktionieren. Aufbauend auf dieser Tatsache sehen die Autoren eine glänzende Zukunft für das Rapid Manufacturing. Es passt gut in eine Produktionslandschaft, in der schlanke Produktionslinien, kurze Lieferketten, Logistik und Lageraktivitäten gefragt sind. Rapid Manufacturing ebenso wie die Verfahren, die es unterstützen, passt gut zur Denkrichtung des Production on Demand,  was es zu einem wertvollen Gewinn für den Industrie-4.0-Sektor macht.

 

Danksagungen

Wir danken der Technischen Universität Delft und der Hochschule Merseburg für die mechanischen Testwerte.

 

Kontakt

Brando Okolo (PhD)

Indmatec GmbH – Karlsruhe – Deutschland / brando.okolo@indmatec.com