Serienwerkstoffe im 3D-Druck

Neue Materialien und Anwendungen für den 3D-Druck

Statt aus einer beschränkten Auswahl an speziellen Werkstoffen für den 3D-Druck lassen sich Prototypen und „echte“ Funktionsbauteile alternativ aus einem sehr viel breiteren Materialspektrum drucken – mit der richtigen Technologie.

Aus einem medizinischen PLA-Granulat produziert ein Freeformer ein individuell angepasstes Implantat für Schädelknochen. (Bild: Arburg)

Zur Formnext in Frankfurt/M. soll live gezeigt werden, wie anspruchsvolle Bauteile für verschiedene Anwendungen aus Standardmaterialen im additiven Verfahren entstehen. Auf dem Freeformen will Arburg den Hochtemperatur-Kunststoff PEI, das medizinische Polylactid PLA und ein Bio-Polyamid (PA) verarbeiten.

Standardmäßig ist der Freeformer mit zwei Austragseinheiten bestückt. Somit sind 2K-Bauteile, beispielsweise aus verschiedenen Farben oder als Hart-Weich-Verbindung zu erzeugen. Alternativ lassen sich Strukturen aus einem wasserlöslichen Stützmaterial aufbauen, um komplexe Bauteilgeometrien zu realisieren. Nach Entfernen der Stützstrukturen in warmem Wasser können die Bauteile beispielsweise als Designmuster sowie für Funktions- und Montagetests genutzt werden. Der Bauraum bietet Platz für Teile bis 154 x 134 x 230 Millimeter Größe.

Verarbeitung von Hochtemperatur-Kunststoff
Ein Vorteil der Technologie ist die Möglichkeit, qualifizierte Standardgranulate verarbeiten zu können, wie sie auch für das Spritzgießen eingesetzt werden. Der Originalwerkstoff wird zunächst im Plastifizierzylinder aufgeschmolzen und auf einen über drei Achsen beweglichen Bauteilträger aufgetragen. So entsteht Schicht für Schicht das gewünschte dreidimensionale Bauteil.

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In rund drei Stunden Bauzeit entsteht aus dem Hochtemperatur-Kunststoff PEI eine Kleinserie von 70 Abstandshaltern. (Bild: Arburg)

Mit dem Polyetherimid (PEI) Ultem 9085 verarbeitet der Freeformer erstmals einen Hochtemperatur-Kunststoff. Bemerkenswert sei bei dieser Anwendung die Schichthöhe von nur rund 0,14 Millimeter und damit verbunden die Bauteilqualität. Je 0,09 Gramm wiegende Abstandshalter, die in Spritzgießmaschinen verbaut werden, entstehen in einer Kleinserie von 70 Stück. Die Bauzeit beträgt insgesamt rund drei Stunden. Die PEI-Teile bieten gute mechanische Eigenschaften und eignen sich für hohe Dauergebrauchstemperaturen. Sie bieten hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit sowie elektrische Durchschlagfestigkeit und sind beständig gegen UV- und Gammastrahlen. Das Material ist daher auch für Anwendungen in der Automobilindustrie und Luftfahrt geeignet.

Implantat aus resorbierbarem Kunststoff
Hinsichtlich Branchen und Einsatzbereichen sind der Technik wenig Grenzen gesetzt. In der Medizintechnik ist zum Beispiel die additive Fertigung persönlich angepasster Implantate und Orthesen sowie von Modellen zur Operationsvorbereitung möglich. Dass sich auf dem Freeformer zudem prinzipiell die gleichen Materialien verarbeiten lassen wie auf einer Spritzgießmaschine, will Arburg am Beispiel eines medizinischen Polylactids zeigen. Das PLA-Material wird langsam im Körper abgebaut und eignet sich daher besonders für Implantate. Während der Formnext soll der Freeformer aus einem PLA-Granulat exemplarisch additiv ein individuell angepasstes Implantat für Gesichts- und Schädelknochen produzieren.

Wirtschaftlich ist auch die Möglichkeit der Funktionsintegration durch Kombination von Teilefertigung und Montage in einem Arbeitsgang. Komplette Bauteilgruppen können so im bereits montierten Zustand additiv gefertigt werden. Dies soll das dritte Exponat demonstrieren – ein belastbares Funktionsbauteil aus dem chemisch widerstandsfähigen Bio-Polyamid. Er besteht zu 58 Prozent aus erneuerbaren Ressourcen. Innerhalb eines Tages entsteht mit Hilfe von Stützstrukturen eine frei bewegliche Seilrolle mit Gehäuse und Befestigungshaken. Die Stützstrukturen werden anschließend im warmen Wasserbad aufgelöst.

Weitere denkbare Einsätze der Technologie sind beispielsweise die Produktion von Montagevorrichtungen, Greifern für die Automation und anderer Betriebsmittel – schnell, flexibel und kostengünstig. Bezüglich des Themas Gewichtsreduktion und Leichtbau können beispielsweise bionisch optimierte Bauteile konstruiert und hergestellt werden, ohne fertigungstechnische Zwänge des Spritzgießens berücksichtigen zu müssen.

Formnext, Frankfurt/M., Halle 3.1, Stand F70

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