3D-Druck mit doppelter Härtung

  • 08. November 2017

Filigrane Kunststoffteile können nun ohne Stütz­strukturen gefertigt werden.

Eines der bekann­testen 3D-Druck-Verfahren von Kunststoff­bauteilen arbeitet, vergleichbar mit der Stereo­lithographie, mit photo­litho­graphischer Belichtung, die das schicht­weise Aushärten flüssiger Harze bewirkt. Dieses additive Verfahren besitzt jedoch einen erheblichen Nachteil: Es benötigt Stütz­strukturen, die der Anwender in der Konstruk­tion einplanen, im Prozess zusätz­lich bauen und anschließend am Produkt umständ­lich entfernen muss. Nun haben Forscher am Fraun­hofer-Institut für Laser­technik ILT in Aachen gemeinsam mit dem Unter­nehmen Rapid Shape aus Heimsheim eine effi­ziente Alter­native zu diesem Verfahren entwickelt.

Abb.: Mit dem neuen 3D-Druck-Verfahren aufgebaute Ring-in-Ring-Struktur, hergestellt ohne tragende Stützstrukturen und ohne direkten Kontakt zur Bauplattform. (Bild: Fh.-ILT / Rapid Shape GmbH)

Abb.: Mit dem neuen 3D-Druck-Verfahren aufgebaute Ring-in-Ring-Struktur, hergestellt ohne tragende Stützstrukturen und ohne direkten Kontakt zur Bauplattform. (Bild: Fh.-ILT / Rapid Shape GmbH)

Nach wie vor kommt ein flüs­siges Harz zum Einsatz, das Schicht für Schicht auf ein Harz­reservoir aufgetragen wird. Eine Belichtungs­einheit mit LED belichtet das flüssige Harz in der Schicht­geometrie des Bauteils. „Wie bei einem Beamer wird ein Bild in das Harzbad proji­ziert, und an den belich­teten Stellen härtet das Polymer aus. An den anderen Stellen bleibt das Harz zunächst flüssig“, erklären Holger Leonards und Andreas Hoffmann vom Fraun­hofer ILT.

Bisher kamen Stütz­strukturen zum Einsatz, weil die oft fili­granen Kunststoff­bauwerke sonst in sich zusammen­fallen würden. „Anwender stören sich an diesen verfahrens­bedingten Stützen, denn zusätz­liche Vorbe­reitung im CAD und die aufwändige Nach­bereitung verzögern den Fertigungs­prozess“, erläutert Andreas Geitner, tech­nischer Leiter bei Rapid Shape. Das in Zusammen­arbeit zwischen Forschung und Industrie ent­standene Verfahren kommt nicht nur ohne Stützen aus, sondern ermöglicht darüber hinaus eine Posi­tionierung der Bauteile ohne Anbindung an die Bauplatt­form. „Wir können 3D-Kompo­nenten direkt im Bauraum an beliebigen Stellen aufbauen“, erklärt Leonards. „Die Bauteile müssen nicht mehr auf der Bauplatt­form stehen. Wegen der effi­zienteren Nutzung des gesamten Bauraums lassen sich deutlich mehr Teile pro 3D-Druckjob herstellen.“

Die Aachener Wissen­schaftler und ihre Industrie­partner setzen dabei auf Hybrid­technik: Sie verfestigen das flüssige Monomer chemisch per Licht und thermisch per Kälte. „Das Material wird in warmen Zustand aufge­tragen und dann per Licht irre­versibel ausge­härtet“, sagt Leonards. „Gleich­zeitig sorgt der gekühlte Bauraum dafür, dass das schicht­weise entstehende Duro­plast-Bauteil mit dem zum wachsartig er­starrten Harz zu einem Block fest­friert.“ Der Anwender kann diesen an­schließend bei Raum­temperatur verflüs­sigen, sodass das stützende Material abfließt: Übrig bleiben die 3D-gedruckten Bauteile, die nur noch kurz gereinigt und nachgehärtet werden. Auch diese Schritte sollen künftig automa­tisiert in einer Prozess­kette ablaufen können.

Wegen des Einsatzes von zwei Härte­verfahren nennt sich das Verfahren im Entwicklungs­stadium „TwoCure“. Die Verfahrens­idee ist in einem gemein­samen Workshop entstanden. Für diesen neuar­tigen 3D-Druck wurden das Material und der photo­chemische Prozess vom Fraun­hofer ILT entwickelt und das Verfahren sowie die Anlagen­technik erfolg­reich von Rapid Shape umgesetzt. Der erste Prototyp ist bereits aufgebaut und soll demnächst bis zur Serien­reife weiter­entwickelt werden. Erfolg­reich erprobt wurde die neue Form des Kunst­stoff-3D-Drucks mit Modellen für die Schmuck­industrie. Diese Modelle werden verwendet, um beispiels­weise Schmuck-Ringe herzustellen. Die Schmuck­hersteller stellen die Modelle bisher mit Stütz­strukturen her und müssen diese dann sehr aufwändig entfernen und anschließend noch die Ober­fläche glätten. Diese letzten beiden Arbeits­schritte sind teuer und über­flüssig. Durch das neue Verfahren kann zukünftig auf sie ver­zichtet werden.

Fh.-ILT / JOL

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