Additive Fertigung Keramische Hülle stabilisiert 3D-Druck-Bauteile

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Ein Forschungsprojekt von SKZ und FGK soll die Qualität von FLM-Bauteilen verbessern. Eine keramische Beschichtung stabilisiert die Bauteile während der thermischen Nachbehandlung und ermöglicht dichtere sowie mechanisch belastbarere Komponenten.

Das Kunststoff-Zentrum SKZ und das Forschungsinstitut für Glas und Keramik (FGK) entwickeln im IGF-Projekt „CerAM-Coating“ ein Verfahren zur Nachbehandlung von Bauteilen aus dem Fused Layer Modeling (FLM). Eine wasserbasierte keramische Schlickermasse soll die Bauteile während der thermischen Behandlung stabilisieren. Dadurch sollen Poren und Fehlstellen reduziert, die einzelnen Schichten besser verbunden und die mechanischen Eigenschaften gleichmäßiger werden.

Porosität und Anisotropie verringern

FLM zeichnet sich durch vergleichsweise niedrige Einstiegskosten und eine große Auswahl an verfügbaren Materialien aus. Bei dem Verfahren werden Kunststoffbauteile Schicht für Schicht aufgebaut. Die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten ist jedoch nicht in allen Richtungen gleich belastbar. Außerdem können beim Aufbau Poren und weitere Fehlstellen entstehen.

Diese Anisotropie und die innere Porosität schränken den Einsatz von FLM-Bauteilen als belastbare Funktionskomponenten ein. Das Projekt „CerAM-Coating“ setzt deshalb auf eine nachträgliche thermische Behandlung, bei der das Polymer erneut aufgeschmolzen wird. Dafür müssen die Bauteile während des Prozesses formstabil bleiben.

Keramische Hülle stabilisiert die Bauteile

Zunächst werden die additiv gefertigten Kunststoffbauteile vollständig mit der speziell entwickelten Schlickermasse umhüllt. Die wasserbasierte Suspension ist rheologisch so eingestellt, dass sie sich auftragen lässt und nach dem Trocknen eine formstabile keramische Beschichtung bildet.

Diese Hülle soll während der thermischen Nachbehandlung als Stützgerüst dienen. Das Polymer im Inneren wird gezielt aufgeschmolzen und kann in vorhandene Poren und Fehlstellen nachfließen. Gleichzeitig verschmelzen die einzelnen Schichten stärker miteinander. Dadurch sollen dichtere Bauteile mit homogeneren und annähernd isotropen mechanischen Eigenschaften entstehen.

Die keramische Beschichtung hält dabei die Geometrie und die Oberflächenqualität des Bauteils während des gesamten Prozesses stabil. Nach dem Abkühlen und der erneuten Erstarrung des Polymers wird die keramische Schicht entfernt.

Einsatz als Funktionsbauteil

Nach der Nachbehandlung sollen die FLM-Komponenten eine höhere Dichte, eine gleichmäßigere Festigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. Dadurch könnten sich zusätzliche Einsatzmöglichkeiten für Bauteile aus dem Verfahren ergeben, insbesondere dort, wo sie mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Das Forschungsprojekt richtet sich unter anderem an kleine und mittlere Unternehmen. Die Ergebnisse entstehen im Rahmen der vorwettbewerblichen Industriellen Gemeinschaftsforschung und sollen auch Anforderungen aus der industriellen Praxis berücksichtigen. Unternehmen können sich am projektbegleitenden Ausschuss beteiligen und eigene Anwendungsfälle in die Entwicklung einbringen.

Das Projekt „CerAM-Coating“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert.