Additive Fertigung Hybrider 3D-Druck mit PU-Schäumen in vier Schritten

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PU-Schäume ließen sich bisher nur in Spritzgussverfahren verarbeiten, aber nicht additiv. Die FIT AG hat nun mit dem Mold-1-Flex ein hybrides 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem sich Formschäume auch additiv verarbeiten lassen.

Spritzguss oder industrieller 3D-Druck, das ist hier die Frage! Für die industrielle Massenfertigung von Kunststoffteilen ist Spritzguss eine bewährte Fertigungsmethode. Spritzguss steht für hohe Präzision und Effizienz sowie einer guten Reproduzierbarkeit. Allerdings sind Abstriche bei der Komplexität der Teile sowie hohe anfängliche Investitionskosten und Zeitbedarf in Kauf zu nehmen: Denn vor dem Produktionsstart muss noch ein Werkzeug hergestellt werden.

Beim 3D-Druck dagegen kann die Produktion viel früher anlaufen, da das Bauteil hier werkzeuglos aufgebaut wird. Damit können auch werkzeugbedingte Grenzen der Geometriefreiheit überwunden werden. Allerdings ist die Materialauswahl beim 3D-Druck eingeschränkt. Doch hier entwickelt sich gerade in den letzten Jahren einiges: Viele Materialhersteller wie Evonik, Henkel, BASF und Covestro haben neue und sogar serientaugliche Harzmaterialien entwickelt. Somit kommt es immer auf den Einzelfall an, für welches Verfahren man sich entscheidet, und welche Anforderung ausschlaggebend ist: Produkteigenschaften, Kosten, Lieferzeit.

3D-Druck und PU-Schäumen bisher wenig Synergien

Was bisher aber immer noch nicht möglich ist, ist die additive Verarbeitung von PU-Schäumen. Der Bedarf an geschäumten Produkten ist allerdings hoch: ob bei der Möbelherstellung, im Sport- und Freizeitbereich oder in der Automobilindustrie – es gibt zahlreiche Einsatzgebiete. Der Tüftler und 3D-Druck-Enthusiast Carl Fruth, Vorstandsvorsitzender der FIT AG, hat diese Herausforderung angenommen.

So lohnt es sich für schnell abzuwandelnde und rasch verfügbare geschäumte Produkte nicht, eine aufwändige und teure konventionelle Form beispielsweise durch Fräsen herzustellen. Daher zielt der bei FIT verfolgte Ansatz auf Formschäumen mit einer 3D-gedruckten Einmalform. Die Vorteile dieses als „Mold 1 Flex“ eingeführten hybriden 3D-Druckverfahrens zeigt das Beispiel einer geschäumten Muster-Armlehne.

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Schritt 1: 3D-Druck einer Schäumform

Zunächst wird eine Einmalform im Masked Stereolithographie-Verfahren (MSLA)gedruckt. Beim MSLA wird jede Harzschicht von unten mit UV-Licht bestrahlt, die Selektion der belichteten Stellen erfolgt schichtweise über abschattende LCD-Displays. Da die gesamte Schicht auf einmal belichtet wird, muss die Querschnittsfläche nicht von einem einzelnen Laserpunkt wie bei der Stereolithographie abgefahren werden. Damit sind höhere Druckgeschwindigkeiten möglich. Die fertigen Teile werden in einem UV-Schrank nachgehärtet, was das Material nochmals härter und spröder macht.

Die hohe Detailtreue und Oberflächengüte der mit MSLA hergestellten Ausschäumform bestimmt auch die Oberflächengüte des späteren Schaumteils. Die Wandstärke der Einmalform hängt von den berechneten Kräften im konkreten Verwendungszweck ab und liegt etwa bei 0,8 mm.

Schritt 2: 3D-Druck eines Einlege-Rohlings

In einem zweiten Schritt wird eine stabilisierende Innenstruktur gebaut. Das eingesetzte Verfahren ist selektives Lasersintern (SLS bzw. PBF-LB/P) in Verbindung mit PA 12. Dieses Innengerüst erfüllt die Funktion eines Endoskeletts und dient zugleich durch die filigrane, dabei aber stabile klassische Kreuz-Lattice-Struktur (die sog. „body-centered cubic“-Struktur) der festen Verbindung zwischen dem harten Innenkern und dem weichen Schaumpolster. Weitere geometriebedingte Funktionalisierungen wie Federeigenschaften sind einstellbar. Darüber hinaus wird ein Kanalsystem genutzt, um das flüssige Zweikomponentenmaterial zu zuleiten und zu verteilen. So sind dünne und sogar vernetzte Laufwege möglich, über die Schaum auch an schwer zugängliche Stellen geleitet werden kann. Im vorliegenden Fall wird das flüssige Material direkt durch einen zentralen Anlaufkanal eingeleitet, der als Öffnung in den Einleger integriert wurde. Dieses Inlay wird bündig schließend in die äußere Formhülle gesteckt.

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Schritt 3: Klassisches Formschäumen

Die Kavität zwischen Außenform und Einleger wird ganz klassisch mit Polyurethanschaum ausgeschäumt. Dazu werden zwei Komponenten, Polyole und Isocyanate, als Reaktionsmasse aus dem Mischkopf der Misch- und Dosieranlage RIM-Star MiniDos von KraussMaffei über den zentralen Anlaufkanal in die Form eingebracht, die mit einem Trennmittel versehene Kavität wird bei einem Druck von 0,8 bar ausgeschäumt. Der Druck sorgt für die gewünschte Schaumdichte und stabilisiert zugleich das Formwerkzeug. Nach acht Minuten ist das Teil formstabil. Im Anschluss härtet das Bauteil in der Form in einem Wärmeofen bei 33 °C nach.

Prozessbedingt sind für die Gestaltung der Schäumform Luftauslassöffnungen nötig, die der Fließgeschwindigkeit des Materials entsprechen. Dadurch kann die im Hohlraum vorhandene Luft bei der Schaumausdehnung entweichen und die Entstehung von Luftblasen wird vermieden. Zugleich begünstigt das Design des Einlegers, dass die durchbrochene Innenstruktur gleichmäßig von Schaum umflossen wird. Für die im Prozess abnehmende Fließ- und Ausdehngeschwindigkeit des Schaums können die Kanäle in Richtungsführung und Durchmesser gezielt angepasst werden, um selbst schwer zugängliche Stellen zügig und kontrolliert auszuschäumen und Fehlstellen zu vermeiden. Der PU- Schaum kann in beliebigen Farben eingefärbt werden und erfüllt die bekannten Spezifikationen des entsprechend gewählten Schaummaterials hinsichtlich Dichte, Elastizität, etc.

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Schritt 4: Zerstörung der Einmalform

Nach dem Aushärten des Schaumpolsters wird die Einmalform gecrusht. Dabei werden die Splitter des extrem spröden Materials durch Abklopfen entfernt. Dadurch sind die in herkömmlichen Formwerkzeugen gegebenen geometrischen Restriktionen etwa hinsichtlich Hinterschnitten aufgehoben. Eine weitere Nachbearbeitung ist prozessbedingt nicht mehr nötig. Das Produkt liegt nach dem Entfernen der Form fertig vor.

Eine Alternative zur Spritzgussfertigung

Im Vergleich zum Spritzguss ergeben sich verschiedene Unterschiede. Da die Fertigung des Formwerkzeugs werkzeuglos erfolgt, können auch hochkomplexe Formen deutlich schneller und dadurch günstiger produziert werden – Lieferzeiten reduzieren sich. Da es sich um Einmalformen handelt, ist eine flexible und agile Prozessoptimierung jederzeit, auch während der Produktion, möglich.

Ein weiterer Pluspunkt ist der Faktor Qualität. MSLA ist sehr detailgenau, mit sehr glatten Oberflächen (Ra ~2 μm) und sehr guter Maßhaltigkeit der Teile. Gegenüber dem Spritzguss hat Mold-1-Flex den Vorzug rundum sauberer Flächen ohne Angussstellen und Grate. Individuelle Beschriftungen und Tracking-Codes mit hohem Detailgrad können durch die 3D-gedruckte Einwegform problemlos an jedem Bauteil angebracht werden, die für Spritzguss geltenden Restriktionen hinsichtlich Hinterschnitten und Sackgassen sind aufgehoben.

Im Vergleich zu kommerziell erhältlichen MSLA-Druckern kann FIT mit seiner Eigenentwicklung Hydra die Produktionskapazitäten steigern. Damit werden einfach skalierbare Serien in nahezu beliebiger Stückzahl realistisch. Mold-1-Flex vereint daher die Vorteile klassischer Formschaumteile mit neuer gestalterischer Freiheit und einer prozesssicheren Herstellung in höherer Stückzahl.

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