Wissenschaftliche Studie Hart-Weich-Verbindungen in der additiven Fertigung

Die additive Fertigung erobert immer mehr Bereiche der Industrie. Doch um ihr ganzes Potential in Gestaltung oder Funktionsintegration zu entfalten, ist es wichtig, mehrere Materialien parallel zu verarbeiten. Ein Forschungsprojekt des SKZ erarbeitet dafür Grundlagen im Polymerbereich.

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Aufgrund der stetig wachsenden Komplexität in der industriellen Fertigung, dem internationalen Wettbewerb und der Globalisierung der Märkte besteht der Bedarf nach höherer Flexibilität und kleineren Losgrößen. Im Rahmen von Industrie 4.0 gewinnen individualisierte Produkte schnell an Bedeutung. Da die Anforderungen mit traditionellen Fertigungsverfahren oft nur mit hohem Aufwand abbildbar sind, ermöglicht der technische Fortschritt bei additiven Fertigungsverfahren zunehmend die wirtschaftliche Herstellung von Kleinserien und individuell gestalteten Produkte.

Neue Möglichkeiten durch Mehrkomponentenbauteile

Bisher erlauben die etablierten additiven Fertigungstechnologien meist nur die Herstellung von Bauteilen aus einem Material. Durch den schichtweisen Aufbau bietet eine Verarbeitung von mehreren Materialien prinzipiell aber die Möglichkeit, Bauteile mit einer noch höheren Komplexität und Funktionalität herzustellen. Eine schichtweise Veränderung der Materialzusammensetzung oder Materialart kann die Eigenschaften von Produkten erweitern. So sind innovative Bauteile herstellbar, die bisher mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar waren. Tatsächlich eröffnet die Verarbeitung von mehreren Materialien innerhalb eines Bauteils komplett neue Gestaltungsfreiräume, neue Spielräume im Design, der Produktgestaltung, der Funktionalitätsintegration oder der kosteneffizienten Produktion.

Status Quo und Zukunft der Technik

In den Strangablegeverfahren ist die Verarbeitung von mehreren Materialien schön länger möglich, wobei der Fokus einer zweiten Materialkomponente anfangs lediglich auf der Verwendung von Stützmaterial lag. Berücksichtigt man die potentiellen Anwendungsgebiete, so könnte aber auch die Herstellung von Hart-Weich-Verbindungen spannende Möglichkeiten eröffnen.

Aktuell gibt es weder auf Seiten der Materialhersteller noch auf der Software- und Anlagenseite maßgebliche Hindernisse für die Produktion von Mehrkomponentenbauteilen. Dennoch sind derartige Bauteile selten mit industrietauglichen Eigenschaften verfügbar. Kernproblem ist dafür das Haftungsverhalten zwischen unterschiedlichen Komponenten, für dessen Ermittlung und Charakterisierung es bisher keine einheitliche, wissenschaftlich fundierte Methode gibt. Das 2017 gestartete Forschungsprojekt „Hart-Weich-Verbindungen in der Additiven Fertigung“ des Süddeutschen Kunststoffzentrums hat nun erste Grundlagen erarbeitet, um so für die Praxis Entwicklungs- und Fertigungsrisiken für Mehrkomponentenbauteile zu verringern.

Mehrfachextrusion

Vorteile beim 3D-Druck mit mehreren Düsen

Forschungsvorgehen

Für die Charakterisierung von Mehrkomponentenverbunden existieren eine Vielzahl an Normen und Richtlinien, die jedoch mehrheitlich für den Bereich Fügen, Kleben und Schweißen entwickelt wurden und Mehrkomponentenbauteile nicht explizit berücksichtigen. Das Fehlen einer Norm oder Richtlinie für die Prüfung der Haftung von thermoplastischen Mehrkomponententeilen führte bisher letztlich dazu, dass es eine Vielzahl unterschiedlichster, individueller Prüfkörpergeometrien und Prüfmethoden gibt. Die Ergebnisse sind in ihrer Aussagekraft und Vergleichbarkeit, hinsichtlich der Haftung, sehr eingeschränkt bzw. qualitativ und nicht übertragbar. Aufgrund der Relevanz für Rohstoffhersteller und Verarbeiter wurde 2012 eine erste Richtlinie zur „Prüfung der Haftung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) an Substraten“ (VDI-Richtlinie 2019) explizit für spritzgegossene Thermoplast/TPE-Verbunde veröffentlicht. Diese Richtlinie und somit auch der Prüfkörper ist jedoch nicht auf additiv gefertigte Mehrkomponentenbauteile übertragbar.

Dies betrifft vor allem die definierten Dicken der harten und weichen Polymere, die Geometrie des Übergangs zwischen der harten und weichen Komponente am Prüfkörperanfang sowie die Prüfkörpergröße, welche für viele 3D Drucker bereits zu groß ist, um mehrere Probekörper in einem Baujob zu fertigen. Getestet wurden hauptsächlich die Materialkombination ABS – TPE-U und ABS – TPE-E. Das Vorgehen zur Ermittlung und erste Ergebnisse finden Sie in unserer Bildergalerie.

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Erkenntnisse und Ausblick

Die Kenntnis der Verbundfestigkeit von Materialkombinationen aus harten Thermoplasten und weichen, elastischen thermoplastischen Elastomeren ist wichtig, um bereits im Vorfeld der Fertigung geeignete Materialien auswählen zu können und die Prozesse frühzeitig aufeinander abzustimmen. Jedoch fehlte bislang ein einheitliches Prüfverfahren, mit dem zuverlässig Kennwerte zum Haftungsverhalten ermittelt werden können, um eine Vergleichbarkeit zu erreichen. Die aus der Forschung gewonnenen Erkenntnisse sollen nun ihren Teil dazu beitragen, Normen festzulegen und dienen als Anregung für Prüfverfahren in den Firmen selbst.

Bei den heutigen Anwendungen kommen nicht nur TPE-E und TPE-U Materialien zum Einsatz, daher sind Kombinationen von Thermoplasten genauso essential. Haftungsversuche an weiteren Materialien, u.a. an PC und PA12 und der. Vergleich der Haftung von gedruckten zu spritzgegossenen Probekörpern bei gleicher Geometrie, verbessern die präzise Validierung des Prüfaufbaus bzw. der Prüfmethode. Mit den gewonnen Erkenntnissen ist es perspektivisch möglich Schälprobekörper in anderen Verfahren, wie dem AKF Verfahren mit Granulaten, herzustellen.

Dieser Beitrag ist zuerst auf unserem Schwesterportal www.mission-additive.de erschienen.

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