Additive Fertigung Fortschritte beim 3D-Druck von carbonfaserverstärktem Polyamid

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Lehmann & Voss & Co. KG

GGB Heilbronn GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

Damit additiv gefertigte Kunststoffteile so gut wie spritzgegossene Thermoplaste sind, braucht es nach Aussage von Lehmann&Voss das richtige Material. Das Unternehmen hat eine Auswahl davon zu bieten.

Für den industriellen 3D-Druck werden Kunststoffe benötigt, die als gedruckte Bauteile dem Leistungsniveau von spritzgegossenen Bauteilen entsprechen. Das, so Lehmann&Voss (Lehvoss), ist der Schlüssel, um ohne großen Qualifizierungsaufwand und Konstruktionsanpassungen für Sonderbauteile oder im Ersatzteilmarkt zu punkten. Zu den beim Drucken verwendeten Standardkunststoffen gehören aber vorrangig PP GF10, PP GF30, also faserverstärktes Polypropylen, oder faserverstärktes Polyamid, wie PA6 GF30. Und Pulverbettverfahren wie das Lasersintern sollen dabei für fast unbegrenzte geometrische Freiheit beim Druck von Bauteilen sorgen, was auch erforderlich sei, denn die originär für das Spritzgießen konstruierten Bauteile haben komplexe Geometrien. Nur leider sind verstärkte Polymere in Pulverform ein Widerspruch in sich, wie Lehvoss anmerkt, denn die Fasern werden beim Pulversieren zwangsläufig mit zerkleinert und verlieren dabei an Verstärkungswirkung im späteren Bauteil.

Spezielles Polyamid mit eingelagerten Carbonfasern

Man behilft sich dabei mit trocken, in Kunststoffpulvern eingemischten, Fasern. Ungebundene sehr dünne Fasern oder mineralische und mikroskopisch feine Nadeln sind aber aus Arbeitsschutzsicht im Umgang riskant und erhalten deshalb auch keine interne Freigabe bei industriellen 3D-Druck-Verarbeitern. Es hilft also nichts, die Fasern müssen in den Partikel, wie die Experten aus Hamburg konstatieren.

Lehvoss hat deshalb in Kooperation mit dem Kunststoffspezialisten Evonik ein PA613 mit eincompoundierter Carbonfaserverstärkung entwickelt, wie man betont. Das Basispolymer PA613 wurde von Evonik dazu speziell für das Lasersintern konzipiert. Als solches zeichne sich der druckbare Thermoplast durch eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme, eine hohe Temperaturstabilität und – anders als PA6 – durch hohe Prozessstabilität beim Lasersintern aus. Der Kunststoff trägt den Namen Luvosint PA613 9711 CF.

Qualifizierung für Kfz-Ersatzteile ist bereits erfolgt

Die Faserverstärkung besteht aus hochfesten XCF-Fasern, die bisher vorwiegen in Luvocomxcf-Produkten für das Spritzgießen eingesetzt wurden. Bei der Pulverherstellung wurden nun partikeltechnisch neue Wege beschritten, um die Längen der Fasern im einzelnen Partikel möglichst nicht zu reduzieren, wie es weiter heißt. Für das prozesssichere Drucken von Luvosint PA613 9711 CF muss der Bauraum des Druckers eine Temperatur von rund 195 °C haben, wodurch sich Standard-Lasersintermaschinen für die Verarbeitung eignen, wie Lehvoss anmerkt. Das Material absorbiert außerdem die Wellenlängen von CO₂-, Dioden- oder Faserlasern. Die Tatsache, dass bei ersten OEMs aus dem Automobilsektor bereits eine Qualifizierung für die Ersatzteilfertigung erfolgt ist, zeigt, dass Lehvoss damit auf einem guten Weg ist, wie man erfahren darf. Dennoch brauche es mit Blick auf das Lasersintern noch einiges an Innovationswillen für die Entwicklung von noch weiteren industrierelevanten Kunststoffen, wozu auch optimierte Maschinen gehörten, um den industriellen 3D-Druck sozusagen in die „Serie“ zu bringen.

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