Schnelle Härtung mittels Ultraviolett-LED

Ein neues 3D-Druck-Verfahren, das den heute gängigen Verfahren in Druck­qualität und -geschwin­dig­keit sowie bei der Homogenität des Materials deutlich über­legen sein soll, wird im Forschungs­projekt „Band­abge­legte, doppelt UV-gehärtete Materialien für 3D-Enginee­ring – Über­windung der Eigen­schafts­grenzen des heutigen Rapid Manu­factu­rings“, abgekürzt BUERMa, entwickelt. Unter der Feder­führung des Forschungs­bereichs Polymer­materialien und Composite des Fraun­hofer-Instituts für angewandte Polymer­forschung arbeiten neben der FU Berlin und der TU Wildau zwei Berliner Unter­nehmen, die sich mit der Schlüssel­techno­logie Additive Manu­factu­ring befassen.

In dem Forschungsprojekt soll ein neuartiges 3D-Druck-Verfahren entwickelt werden, das die einfache, schnelle und effiziente Herstellung von drei­dimen­sio­nalen Bauteilen unter Verwendung von kosten­günstigen UV-LED-härtbaren Reaktiv­harzen ermöglicht. Hierdurch lassen sich die Druck­zeiten gegen­über gängigen Verfahren der additiven Fertigung signifikant reduzieren. Um hoch­belast­bare Leicht­bau­kompo­nenten herstellen zu können, soll auch der Einsatz von Verstärkungs­fasern, Füll­stoffen, Flamm­schutz­mitteln sowie leit­fähigen Zusatz­stoffen unter­sucht werden. Additiv gefertigte Bauteile sollen so verbesserte Eigen­schaften und verschie­denste Funktio­nali­täten erhalten. Im Fokus steht vor allem die flexible und gleich­zeitig wirt­schaft­liche Klein­serien­fertigung von Kunst­stoff­kompo­nenten. Gefördert wird das drei­jährige Projekt, das bis Dezember 2021 läuft, vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung.

Das BUERMa-Verfahren besitzt gegen­über etablierten Verfahren zur additiven Fertigung, wie dem oftmals ange­wandten Fused Deposi­tion Modeling, klare Vorteile. Beim FDM-Prozess werden derzeit Thermo­plaste ein­ge­setzt, also Kunst­stoffe, die erwärmt werden müssen, damit sie sich verformen lassen und nach der Herstel­lung des Bauteils wieder abkühlen. Diese Materi­alien haben unver­meid­liche Nach­teile: Beispiels­weise den Warp-Effekt, durch den sich das Bauteil während des Abkühlens unkontrol­lierbar verzieht. Außerdem weisen FDM-Komponenten meist eine weitaus geringere Beständig­keit gegen­über äußeren Umwelt­ein­flüssen auf. Im Projekt BUERMa werden hingegen Kunst­harze einge­setzt. Sie härten durch UV-Bestrah­lung zu einem Polymer­netzwerk, den Duromeren. Sind sie erst einmal ausge­härtet, lassen sie sich infolge von Erwärmung kaum verformen. Sie besitzen somit deutlich höhere Wärme­form­beständig­keiten, wodurch Bauteile detail­lierter gefertigt werden können. Auch gegenüber anderen strahlungs­basierten 3D-Druck­ver­fahren, wie etwa der Stereo­litho­grafie, hat das BUERMa-Verfahren deutliche Vorteile: weniger Prozess­schritte, geringere Maschinen­kosten, weniger Nach­bearbei­tung der Druck­erzeug­nisse und deutlich kosten­günstigere Polymer­materialien.

Beim BUERMa-Verfahren wird ein zähflüssiges Reaktivharz mit einem Photo­initiator gemischt, in eine Dosier­einheit einge­bracht und durch eine Düse mit einem Durch­messer von 0,1 bis 0,6 Milli­metern gepresst. Das Material wird dann in vorpro­gram­mierten Bahnen abgelegt und unmittelbar mit UV-LEDs bestrahlt. Dieser Vorgang sorgt dafür, dass sich die Harze mit Hilfe des Photo­initiators vernetzen und ein äußerst stabiles Polymer­netzwerk bilden – sie härten sofort kontrol­liert aus. Der Schicht­aufbau erfolgt dann, wie etwa beim FDM-Verfahren, lagen­weise.

„Die Vernetzung ist ein äußerst schneller Prozess. Das Harz härtet quasi in dem Moment aus, in dem das UV-Licht eindringt. Somit kann sich das gedruckte Bauteil nur wenig verziehen und es kann sogar noch schneller gedruckt werden“, so Christian Dreyer, Projekt­leiter am Fraunhofer-IAP. Dass dieses Prinzip grund­sätz­lich funktio­niert, hat er bereits in Vorstudien nach­ge­wiesen. In dem Projekt möchte das Forscher­team nicht nur ein robustes Drucker­system für Industrie­anwen­dungen entwickeln, sondern auch speziell darauf abge­stimmte Harz­formulie­rungen für verschiedene tech­nische Anwen­dungen. Vorge­sehen sind ebenfalls Unter­suchungen zu Ermittlung von optimalen Prozess­fenstern und -para­metern. Als wichtige Stell­schrauben, die die Qualität beein­flussen, gelten dabei die Druck- und Förder­geschwin­digkeit, die Dosier­methode, die Visko­sität des Harzes, die UV-Intensität sowie die Bestrahlungs­methode. Im Rahmen des Projekts soll dafür ein kompakter, mit UV-LEDs bestückter Druck­kopf konstruiert und entwickelt werden.

Fh.-IAP / RK

Weitere Infos

• FB Polymermaterialien und Composite, Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung, Potsdam-Golm