3D-Druck mit Kunststoffen

«Nach einer kurzen Phase der „Ernüchterung“ nachdem der grosse Medienhype der letzten Jahre zu Ende ging, ist nun wieder Aufbruchsstimmung zu verspüren», erklärt Matthias Baldinger, Gründer des Schweizer ETH Spin-off Additively. «Grosse Player wie Trumpf oder Arburg sind ins Geschäft eingestiegen. Und General Electric hat gerade zwei grosse Hersteller von Metall-3D-Druckern gekauft. Wir dürfen also gespannt sein, was die nächsten Jahre passiert.»

So war dann auch das Besucherinteresse gross, als die Messe Luzern im Herbst 2016 ihre Tore für die Additive Manufacturing AM Expo unter dem Patronat des Netzwerkes AM-Network öffnete. Rund 70 Aussteller zeigten auf der ersten Schweizer Messe rund um das Thema 3D-Druck, was die noch junge Technologie für die professionelle Fertigung zu bieten hat. Rund 1700 Besucher fanden sich an den beiden Tagen auf der Messe ein.

Traditionelle Verfahren versus 3D-Druck
«3D-Druck weist zwei grundlegende Unterschiede zu traditionellen Verfahren auf», erklärt Matthias Baldinger. «Erstens: No economies of scale, was bedeutet, dass die Kosten pro Stück nicht von der Stückzahl abhängig sind. Zweitens: Complexity for free, was heisst, dass die Kosten nicht von der Komplexität von Bauteilen abhängig sind und Bauteile produziert werden können, die bis anhin nicht möglich waren.» Daher eignet sich 3D-Druck vor allem für kleine Stückzahlen wie Nischenprodukte, kundenindividuelle Lösungen oder komplexe Bauteile wie zum Beispiel für Funktionsintegration und Leichtbau. Dies sind Anwendungen, für die sich die traditionellen Massenproduktionsverfahren wie Spritzguss nicht eignen.

«No economies of scale» ändert Supply Chain
«Dies bedeutet aber nicht, dass sich Anbieter der traditionellen Verfahren keine Gedanken machen müssen», gibt Baldinger zu bedenken. «Der Markt verlangt nach kundenindividuelleren Lösungen und Nischenprodukten während Produktlebenszyklen immer kürzer werden. Das bedeutet, dass zunehmend kleinere Stückzahlen nachgefragt werden. Hier hat der 3D-Druck einen ganz klaren Vorteil. Somit ersetzt 3D-Druck den Spritzguss nicht – aber die Nachfrage nach den grossen Stückzahlen im Spritzguss wird zunehmend zurückgehen.»

Ein Anwendungsbeispiel für professionellen Einsatz des 3D-Drucks ist die Herstellung von Ersatzteilen für alte VBZ-Trams. Diese sind ausgerüstet mit Lichtkästen, in denen die Endhaltestelle und die Tramnummer angezeigt wird. In den Kästen transportiert ein Zahnrad die Folie mit den Texten. Der Zahn der Zeit nagt an den Zahnrädern, so dass diese hin und wieder ersetzt werden müssen. Doch der ursprüngliche Lieferant existiert nicht mehr. Dank 3D-Druck können nun dennoch geeignete Ersatzzahnräder beschafft werden. Ein noch existierendes Zahnrad wurde vermessen und daraus ein 3D-CAD generiert. Mittels Laser Sintering und dem Werkstoff Plastik/PA 12 wurden Ersatzzahnräder mit den nötigen mechanischen Eigenschaften gedruckt. In diesem Anwendungsbeispiel zeigt sich einer der besonderen Vorteile des 3D-Drucks: «Beim 3D-Druck sind die Kosten nicht von der Stückzahl abhängig. Dieser Effekt ermöglicht eine neue Supply Chain für den 3D-Druck. Es ist nicht mehr nötig grosse Stückzahlen zentral an einem Ort vor ab zu produzieren. Die Produktion kann zunehmend on-demand und on-location stattfinden. Das ist beispielsweise interessant für Ersatzteile», erklärt Matthias Baldinger. (1)

«Complexity for free» in der Medizintechnik
Gerade in der Medizintechnik bietet die patientenindividuelle Fertigung vielfache Einsatzmöglichkeiten, insbesondere in der Herstellung von Prothesen und Orthesen. Dies und der Umstand, dass die Stückzahl und die Komplexität den Preis eines 3D-Drucks nicht beeinflusst, war für ein Projekt von Vorteil, welches das Institut für Mechatronische Systeme IMS der ZHAW zusammen mit der uneigennützig agierenden Stiftung appsocial.org durchführte. In dem Projekt ging es darum, optisch ansprechende Kinderhandprothesen herzustellen. Die strukturmechanischen Eigenschaften der Prothesen konnten im Druck variiert und mechatronischen Komponenten wie Aktoren, Sensoren und Micro-Kontroller-Board konnten im Druck in die Prothesen integriert werden. Die Prothesen werden aus dem Thermoplasten ABS hergestellt mit der Fused Deposition Modeling Technologie hergestellt. (2)

Verfahren des 3D-Druck
Der Name ist Programm: 3D-Druck alias Additive Manufacturing heisst, dass dreidimensionale Druckobjekte durch schichtenweises Auftragen von Material nach einer Druckvorlage, üblicherweise in Form eines 3D-CAD, entstehen. Wie die Materialien aufgeschichtet und welche Materialien verwendet werden, dadurch unterscheiden sich die verschiedenen Verfahren. Drei grundsätzlich unterschiedliche Techniken haben sich bisher durchgesetzt. Beim 3D-Druck mit Pulver wird aus einem Druckkopf Klebstoff auf Pulverschichten aufgetragen. Die Auflösung des Verfahrens hängt von der Feinheit des Pulvers ab. Besonderer Vorteil der Methode: Einfache Realisierung von überhängenden Strukturen. Auch beim Selektiven Laser Sintern, kurz SLS, wird mit Pulver gedruckt. Die einzelnen Layer werden bei diesem Verfahren mit Hilfe eines Hochleistungslasers unter Schutzatmosphäre verschmolzen.

Die zweite Methode verwendet als Material UV-empfindliche flüssige Kunststoffe, die sich in einem Becken befinden. Gedruckt wird mit einem Laser auf die Oberfläche. Das Druckobjekt wächst im Becken nach unten. Das Verfahren ist teuer, doch die Qualität der Druckerzeugnisse ist sehr hoch. Besonders verbreitet ist die dritte Technologie: Drucken mit thermoplastischen Kunststoffen. Thermoplasten verflüssigen sich bei Wärmezufuhr. Im Wesentlichen sind dies Acrylintril-Butadien-Styrol (ABS), Polyactide (PLA), Polyvinylalkohol (PVA), Nylon (Polyamid PA 66) sowie Polystyrol (PS). Am weitesten verbreitet im 3D-Druck sind ABS und PLA. Gefüttert werden die 3D-Drucker dieser Technologie mit Thermoplastischen Kunststoffen in Form von Filamenten oder Pellets. (3)

Materialien für den 3D-Druck
«Grundsätzlich wird die Materialpalette für den 3D-Druck stark anwachsen», erklärt Matthias Baldinger. «Auf der anderen Seite muss aber auch ein Umdenken stattfinden. Wenn heute die Eigenschaften eines Bauteils verändert werden sollen, dann wird meist am Material «geschraubt» und nur selten am Design. Da mittels 3D-Druck nun äusserst komplexe Bauteile möglich sind, ist es auch denkbar, die Eigenschaft eines Bauteils wie zum Beispiel die Härte nicht über die Nutzung eines anderen Materials zu ändern, sondern durch die Veränderung der Konstruktion, beispielsweise durch eine im Inneren des Bauteils poröse Struktur.» Die beiden derzeit am häufigsten eingesetzten Thermoplasten für den 3D-Druck sind PLA und ABS. Bei PLA handelt es sich um einen Biokunstoff aus erneuerbaren Rohstoffen wie Mais- und Kartoffelstärke. Der umweltfreundliche Bruder des Kunststoffs aus Erdöl ist biologisch abbaubar und gesundheitlich unbedenklich. Der sympathische Werkstoff hat aber auch Nachteile. Er kühlt schlecht ab, das Druckergebnis ist spröde und brüchig und wird schon ab Temperaturen um 50 Grad weich. Daher wird PLA vorwiegend im Hobby 3D-Druck eingesetzt, findet wegen seiner Verträglichkeit aber auch Anwendung in der Medizintechnik. Anders hingegen ABS, dieser Kunststoff wird gern für professionelle Anwendungen eingesetzt. ABS ist in unseren Haushalten häufig vertreten in Form von Kinderspielzeug oder als Gehäuse von Küchengeräten. Beliebt ist der Werkstoff nicht ohne Grund: Er ist stabil, elastisch und darüber hinaus preiswert. (4)

Forschung und Ausblick
Das Fraunhofer Institut IPA für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart entwickelt derzeit eine neuartige 3D-Druck-Technologie, welche die Produktion mit Faserverbundstoffen in der additiven Fertigung erlaubt. Free Space Fabrication FSF heisst das neue Verfahren. Free deshalb, weil das Verfahren nicht mehr an einen schichtweisen Aufbau der Struktur gebunden ist, sondern ein sechsachsiger Roboter die Strukturen frei im Raum aufbaut. Grundlage hierfür ist eine Düse, die Endlosfasern beim Drucken in den Kunststoffstrang integriert. Dadurch erhält das Material eine höhere Stabilität. (5)

Experten erwarten einen neuen 3D-Boom mit vielen Innovationen. «Die 3D-Druck-Technologien werden sich künftig sehr schnell weiterentwickeln und neue dazu kommen», so Baldinger zur Zukunft des 3D-Drucks. «Grundsätzlich werden diese Technologien schneller und günstiger werden. Des Weiteren sind grosse Fortschritte bei der Automatisierung und der Nachbearbeitung zu erwarten, so dass direkt ab digitalen Files in einem Schritt finale Bauteile produziert werden können, ohne dass diese nachbearbeitet werden müssen, wie dies heute vielfach nötig ist.»

Quellen
(1) www.additively.com/de/showcase/de/rene-faigleag-zahnrad-fuer-trams zuletzt abgerufen am 02.10.2016
(2) www.additively.com/de/showcase/de/zhaw-winterthur-school-of-engineering-kinderhandprothese zuletzt abgerufen am 02.10.2016)
(3) www.3D-Druck.com, zuletzt aufgerufen am 22.09.2016
(4) 3druck.com/gastbeitraege/kunststoffe-fuer-3d-drucker-thermoplastische-kunststoffe-im-vergleich-0132678/,zuletzt abgerufen am 22.09.2016
(5) www.kunststoffe.de/fachinformationen/technik-trends/artikel/faserverstaerkte-bauteile-drucken-1549553.html, zuletzt abgerufen am 02.10.2016