Im MERCUR-Forschungsvorhaben „Analyse des Produktentstehungsprozesses bei der Kombination additiver und subtraktiver Fertigungsverfahren für die Herstellung von Multimaterialprodukten“ werden verschiedene Fertigungs- und Nachbehandlungsverfahren zur Verbindung der jeweiligen Vorteile miteinander kombiniert.

Verfahren für die additive Fertigung

Polyamide

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Filamente für additive Verfahren

Andere Werkstoffe

Werkstoffe für additive Verfahren

Additive Fertigung

Untersuchung des Einflusses verschiedener Nachbehandlungsmethoden auf die Eigenschaften additiv gefertigter FDM Nylon 12 Proben

Formnext 2022 zeigt, die additive Fertigung kann dazu beitragen, Prozesse und Produktionen zu dezentralisieren und Supply-Chains resilienter zu machen, ressourcenschonend und mit weniger Energieverbrauch zu produzieren.

Die Formnext 2022 fand vom 15. bis 18. November in Frankfurt am Main statt.

16:9

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, andere

Anlagen für die Additive Fertigung

3D-Druck-Anlage, pulverbettbasiert, Metall

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

3D-Druck-Anlage, strahlbasiert, Metall

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Die Zukunft der industriellen Fertigung

KITZMANN, die Experten für Schüttgut- und Flüssigkeitshandling

Magdalena KITZMANN GmbH  

https://www.kitzmann-gruppe.de

Thermoplastische Elastomere

Silikone

Steuern, Regeln

Software

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Normalien

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff-Aufbereitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Standardkunststoffe

Technische Kunststoffe

Dosierung

Messtechnik

Mechanische Messtechnik

Oberflächentechnik

Materialhandling

Duroplaste

Kunststoff-Recycling

Hochleistungskunststoffe

Extrudieren (KU)

Kunststoffverarbeitung

Compoundieren

Prozessautomation

Wenn Kuka-Roboter Möbel herstellen, nehmen sie mitnichten Schreinern Arbeit weg. Die im 3D-Druck aus recyceltem Klinikabfall entstandenen Sitzmodule namens Twine – designt von HagenHinderdael in London – sind etwas völlig Neues in der Welt der Möbel, des Engineerings und des Recyclings.

Die Designerinnen Lisa Hinderdael (links) und Sofia Hagen zeigen Kunststoffabfall von einer schöneren Seite. Im Hintergrund der KR Quantec, mit dem die größeren Twine-Elemente gedruckt wurden.

Recycelter Klinikabfall als Rohmaterial für den 3D-Druck von Möbeln

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Industrieroboter

Montagetechnik

Kunststoff-Rezyklat

Mit gutem Gewissen Platz nehmen

Der 3D-Drucker J850 TechStyle ermöglicht Haute-Couture- und Luxusmarken den 3D-Druck auf Stoff für äußerst kreative Mode und kreatives Design.

SSYS 2Y22-Design von Jasna Rokegem und Travis Fitch

3D-Drucker J850 TechStyle von Stratasys ermöglicht Haute-Couture- und Luxusmarken den 3D-Druck auf Stoff für äußerst kreative Mode und kreatives Design,

Textil-, Bekleidungs-, Ledergewerbe

Stratasys präsentiert ersten Textil-3D-Drucker

Der Additivhersteller Grafe hat eine neue Version seines Mattierungsmittels für 3D-Druckmaterialien vorgestellt. Sie zeichnet sich dem Unternehmen zufolge gegenüber dem Vorgänger durch erheblich verbesserte Mattierungseffekte sowie eine höhere Druckqualität aus.

Im Vergleich zum Vorgänger halbiert das Mattierungsmittel den Glanzgrad noch einmal.

Farbstoffe und Pigmente

Additive

3D-Druck mit weniger Glanz

KLK OLEO offers bio-based ingredients that are used in plastic products to impart wide-ranging benefits, from process optimisation to improved part performance.

KL-Kepong Industrial Holdings Sdn Bhd.  

https://www.klkoleo.com

Spritzgießen

Biokunststoffe

Warmformen

Warmformen / Thermoformen

Blasformen

Pressen und Warmformmaschinen

Kunststoffverarbeitungsmaschinen

KLK OLEO offers plant-based PALMOWAX Ethylene Bis-Stearamide (EBS) as the green sustainable lubricant for plastic industries.

Sustainable Lubricant for Plastic Industries

Die Rapid.Tech 3D bringt die Akteure des Additive Manufacturing vom 4. bis 6. Mai 2021 wieder in Erfurt zusammen. Neu ist ein Mix aus Live- und Digital-Event. Erste Aussteller sind bereits angemeldet.

Hält schon Ausschau nach Besuchern: AM-Figur von Antonius Köster

PVC-Additive

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

CAM für die additive Fertigung

Rapid.Tech 3D 2021: Live und digital

Nachhaltigkeit heißt der rote Faden, der sich vom 4. bis 6. Mai 2021 durch alle Foren der Kongressmesse Rapid.Tech 3D ziehen wird. Der Kongress findet erstmals auch digital statt, die Ausstellung ist als Präsenzveranstaltung geplant.

Soll 2021 wieder die Rapid.Tech 3D beherbergen: das Congresscenter Erfurt

Fachkongress und Messe 2021

Messe Rapid.Tech 3D

form-werkzeug.de

Rapid.Tech 3D: Leitidee Nachhaltigkeit

Das Prodrive Motorsport-Team nutzt bei der Rallye Dakar 2021 die 3D-Druck-Technologie von MakerBot, um Ersatz- und Fahrzeugteile für die eingesetzten Off-Road-Fahrzeuge herzustellen.

Über 30 Autoteile wurden für den Hunter T1 des von Prodrive geführten Bahrain Raid Xtreme Teams mit Hilfe von MakerBot‘s Nylon-Carbonfaser auf dem 3D-Drucker vom Typ Method X hergestellt

Automotive

Fahrzeugbau

3D-gedruckte Ersatzteile für Rallye Dakar 2021

Um Kombinationen aus neuen Druckmaterialien und -plattformen in Strangablegeprozessen (FLM) auf ihre Haftung hin charakterisieren zu können, hat das Kunststoff-Zentrum SKZ neben der Anwendung von Oberflächencharakterisierungen eine mobile Prüfvorrichtung konstruiert.

Bild 1. Die mobile Abzugsvorrichtung zieht mithilfe einer Pneumatikzange Material von der Bauplattform ab

Untersuchung der Haftung von Kunststoffen auf Druckplattformen im Strangablegeprozess

Werkstoffprüfung, mechanisch

Werkstoffprüfung

Werkstoff-Prüfstände

Prüfen von Kunststoffen

Polyimid

Polyethylenterephthalat

Zug-und Druckfestigkeitsprüfgeräte

Prüfplanung

Qualitätssicherung

Haftungsrisiken im 3D-Druck

Wer richtige Neuheiten in der Materialverarbeitung sehen will, muss im November die Formnext besuchen, wo die generativen Fertigungstechnologien die Hürde zur industriellen Fertigung zu meistern versuchen.

Erstmals aufgetreten: Mit vielen Vorschusslorbeeren angereist war Formnext-Neuling Evolve Additive Solutions

Neuigkeiten und Trends von der Formnext 2019

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

An der Schwelle zur Massenfertigung

Die Planungen der Formnext mit einem hybriden Messekonzept und einer echten Präsenzmesse vom 16. bis 19. November in Frankfurt stößt auf ein positives Echo der Aussteller: Bereits Ende April hatten 351 Unternehmen aus der gesamten Welt ihre Teilnahme an der Formnext 2021 zugesagt.

Die Formnext 2021 ist als Hybridmesse geplant.

Messe formnext

Schon 350 Aussteller-Anmeldungen

Rund 600 Aussteller zeigen vom 16. bis 19. November 2021 in Frankfurt a. M. Neuheiten und Weltpremieren aus der additiven Fertigung. Auch das parallel stattfindende Fachforum verspricht vielfältige Erkenntnisgewinne.

Nach der Covid-19-bedingten Verschiebung ins rein Digitale im vergangenen Jahr meldet sich die Formnext 2021 als Präsenzmesse zurück

Formnext meldet sich als Präsenzmesse zurück

TPU-Filament im 3D-Druck richtig verarbeiten

TPU stellen neue Herausforderungen an die Bauteilgestaltung und Prozessführung im 3D-Druck. Die bisherigen Gestaltungsrichtlinien für Standardmaterialien sind zudem nicht ohne Weiteres übertragbar. Eine Lösung versprechen materialspezifische Vorschriften.

Thermoplastische Polyurethane stellen neue Herausforderungen an die Bauteilgestaltung und Prozessführung im 3D-Druck. Die bisherigen Gestaltungsrichtlinien für Standardmaterialien sind zudem nicht ohne Weiteres übertragbar. Eine Lösung versprechen materialspezifische Vorschriften, mit denen sich Iterationen bis hin zum finalen Bauteil reduzieren lassen.

Das Fused Filament Fabrication (FFF) Verfahren stellt das am weitesten verbreitete Additive Fertigungsverfahren dar [1]. Es zeichnet sich insbesondere durch die große Materialvielfalt aus. Hierbei haben sich in den vergangenen Jahren die Anforderungen und Nachfrage auf dem Markt der Additiven Fertigungsverfahren erhöht. Das Resultat ist eine fortlaufende Entwicklung neuer, auf die Verfahren spezifisch adaptierter, Materialien.

Dabei sind unter anderem thermoplastische Elastomere (TPE) wie thermoplastische Polyurethane (TPU) zu nennen. Diese Kunststoffe zeichnen sich durch ihre hohe Flexibilität und Verschleißfestigkeit aus [2]. Das weich-elastische Verhalten führt jedoch aufgrund der Streckung und Stauchung des Filaments über den Weg von der Spule bis zur Düse zu einem verzögerten Materialaustrag. Zudem begünstigt die vergleichsweise geringe Steifigkeit des TPU das für FFF-Verfahren charakteristische Oszillieren von Bauteilen mit zunehmender Bauhöhe, welches durch die Verfahrbewegung der Düse sowie der Bauplattform hervorgerufen wird.

Aus den beiden angeführten Aspekten resultiert eine reduzierte Positioniergenauigkeit der abgelegten Stränge. Prozessschwankungen und geometrische Abweichungen sind die Folge. Zur Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile sind diese Limitationen zu berücksichtigen, um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können, zum Beispiel in Form von sogenannten Gestaltungsrichtlinien. Diese beschreiben die gestalterischen Freiheiten und Limitationen eines Verarbeitungsprozesses unter Berücksichtigung des spezifischen Wirkprinzips.

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung individualisierter und komplexer Strukturen. Durch den charakteristischen Schichtaufbau ergibt sich eine im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren hohe Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion [3]. Diese Freiheit unterliegt jedoch Limitationen in Abhängigkeit vom spezifischen Verfahren, der Maschine, dem Material sowie den Prozessparametern [4].

Das heißt, es sind auch bei den Additiven Fertigungsverfahren Gestaltungsregeln zu beachten. Bezogen auf das FFF-Verfahren sind diese hauptsächlich auf wenige, sehr verbreitete Materialien wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) oder Polyetherimid (PEI) fokussiert [5]. Weiche Materialien, zum Beispiel TPU, finden dabei bisher kaum Beachtung. Aufgrund der bereits angeführten Materialcharakteristika bergen sie Besonderheiten bei der Verarbeitung und somit auch für die Konstruktion.

Allgemein lassen sich die verschiedenen geometrischen Limitationen der Fertigungsverfahren anhand von Standardelementen und einer Vielzahl an Elementattributen (zum Beispiel Breite, Radius, Orientierung) beschreiben [5]. Je nach Fertigungsverfahren ergeben sich daraus besonders relevante Standardelemente, welche für die Bauteilgestaltung unerlässlich sind. Für das FFF-Verfahren sind insbesondere die nachfolgenden Limitationen relevant:

<ul><li>minimale Wanddicke</li><li>minimaler Überhangwinkel ohne Stützstrukturen</li><li>maximaler Innenradius ohne Stützstrukturen</li><li>minimaler Außendurchmesser</li><li>minimales Breite-zu-Höhe-Verhältnis (B/H-Verhältnis)</li></ul>

An der Kunststofftechnik Paderborn wurde in Kooperation mit dem Direct Manufacturing Research Center (DMRC) die Verarbeitung eines TPU (Typ: Ultrafuse TPU 85A, Hersteller: BASF 3D Printing Solutions GmbH) mit dem FFF-Verfahren hinsichtlich der bestehenden geometrischen Limitationen untersucht. Dazu ist das Kunststofffilament auf einem German RepRap x500 verarbeitet worden (Bild 1). Die hierfür definierten Prozessparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei die grundsätzlich vorteilhafte aktive Bauraumtemperierung auf Basis der Empfehlungen des Materialherstellers vernachlässigt wurde [6], [7]. Die Auswertung der einzelnen Probekörper erfolgte durch eine Sichtprüfung sowie eine nachgelagerte Bildauswertung mittels Makroskop (Typ: VR-3100, Hersteller: Keyence).

In einem ersten Schritt galt es, die spezifischen Eigenschaften von TPU bei der Verarbeitung im FFF-Verfahren anhand bestehender Geometrien zu erfassen. Dazu sind Geometrien in Anlehnung an die VDI 3405 3.2 sowie nach ADAM verwendet worden [5], [8].

Die Auswertung der gefertigten Geometrien hat gezeigt, dass das Materialverhalten des eingesetzten TPU-Typs unter Verwendung der gewählten Probekörper einen direkten Einfluss auf die Probekörperqualität und die resultierenden geometrischen Limitationen hat. Dabei ließen sich zwei wesentliche geometrische Einflussgrößen erfassen:

<ul><li>Fläche der Schichten</li><li>Breite-zu-Höhe-Verhältnis</li></ul>

Die bisher betrachteten Probekörper weisen vergleichsweise kleine, nicht zusammenhängende Flächen je Schicht auf. Das hat zur Folge, dass die Düse im Herstellungsprozess zwischen den einzelnen Flächen innerhalb einer Schicht verfahren muss. Aufgrund des bereits angeführten verzögerten Materialaustrags von TPU liegt somit eine unsaubere Strangablage sowie Bindenahtausbildung vor. Weiterführend ist das Breite-zu-Höhe-Verhältnis der Probekörper für die Verarbeitung von TPU als kritisch zu bewerten. Aufgrund des Materialverhaltens kann es hier zu einem Oszillieren der Probekörper kommen, wodurch ebenfalls die Genauigkeit der Strangablage reduziert ist (Bild 2).

Basierend auf den angeführten Einflussgrößen auf die Auswertung wurde an der Kunststofftechnik Paderborn in Zusammenarbeit mit dem DMRC eine materialspezifische Anpassung der Geometrien für die gewählten geometrischen Limitationen vorgenommen (Bild 3). Der Wesentliche Fokus lag dabei auf der Sicherstellung ausreichender Wanddicken sowie einer geschlossenen Strangablage je Schicht. Ziel war es, das Oszillieren der Probekörper sowie die Anzahl an Verfahrbewegungen ohne Materialaustrag je Schicht zu minimieren. Dadurch ist eine ausschließliche Betrachtung der geometrischen Limitationen für das gewählte Material unter Berücksichtigung der Prozessparameter möglich. Die Auswertung der Probekörper bestätigt die Zielsetzung (Bilder 4 bis 6).

Die Erarbeitung der Gestaltungsrichtlinien basiert auf der Bewertung der einzelnen Probekörpergeometrien hinsichtlich der Bauteilqualität. Wichtige Kriterien zur Festlegung einer kritischen aus TPU gefertigten Geometrie sind dabei unter anderem:

<ul><li>unvollständige Flächenfüllung</li><li>Abrutschen beziehungsweise Herunterhängen der Konturstränge</li><li>keine geschlossene Bindenaht</li><li>geometrische Abweichungen</li></ul>

Trifft eines der aufgeführten Kriterien bei einem Probekörper zu, so ist er als Ausschuss zu bewerten. Als Gestaltungsrichtlinie für ein Geometrieelement ist somit die geometrische Größe zu definieren, bei welcher gerade so keine der Kriterien erfasst werden kann. Das Ableiten der Richtlinien erfolgt dementsprechend in einer iterativen Vorgehensweise. Die aus diesem Vorgehen erarbeiteten Ergebnisse sind in Bild 7 aufgeführt.

Bei der Analyse der unterschiedlichen Geometrien ließ sich eine Abhängigkeit von der gewählten Geometrie auf die betrachtete Limitation feststellen – sowohl für die Bewertung der minimalen Wanddicke als auch für den minimalen Überhangwinkel. Bei der minimalen Wanddicke ist dabei ein Unterschied zwischen einer einseitigen und zweiseitigen Anbindung der relevanten Prüffläche ersichtlich (Bild 5). Für den minimalen Überhangwinkel ergibt sich für rotationssymmetrische Geometrien ein geringerer minimaler Winkel im Vergleich zu Geometrien ergänzt um lineare Bereiche (Bild 6). Zu begründen ist dies mit der gleichmäßigeren Verfahrbewegung der Düse sowie der gerichteten Schwindung zum Mittelpunkt der Geometrie.

In beiden Fällen handelt es sich nicht um eine rein materialspezifisches Problem. In Abhängigkeit von den verwendeten Prozessparametern und der Aufbereitungssoftware stellt sich eine Änderung der limitierenden Größe ein. Bei der Bewertung kritischer Geometrien ist diese Abhängigkeit zu berücksichtigen.

Die Untersuchungen zeigen, dass die Verarbeitung von TPU im FFF-Verfahren neue Herausforderungen an die Bauteilgestaltung stellt. So ergeben sich aufgrund des spezifischen Materialverhaltens geometrische Limitationen, welche bei der Konstruktion zu beachten sind. Durch die geeignete Wahl von Probekörpergeometrien können diese erfasst und in Form von Gestaltungsrichtlinien berücksichtigt werden.

Um weiterführend die Güte der anhand von definierten Geometrien erarbeiteten Richtlinien zu validieren, sind nachfolgend weitere Untersuchungen an komplexeren Geometrien angestrebt. Dabei stehen insbesondere anwendungsbezogene Bauteile im Fokus.

Ebenfalls wird durch die Betrachtung weiterer geometrischer Limitationen eine Erweiterung der Gestaltungsrichtlinien erfolgen. Dadurch kann die Herstellbarkeit von komplexen Strukturen bereits während der Konstruktionsphase bewertet und die Geometrie entsprechend angepasst werden.

[1] Statista: Meistgenutzte 3D-Druck-Technologien im Jahr 2021. Letzter Zugriff am 09.09.2022 unter: <a href="https://de.statista.com/statistik/daten/studie/760408/umfrage/meist" target="_blank">https://de.statista.com/statistik/daten/studie/760408/umfrage/meist</a> genutzte –3d-druck-technologie/

[2] Baur., E.; Brinkmann, S.; Osswald, T. A.; Rudolph, N.; Schmachtenberg, E.: Saechtling  Kunststoff Taschenbuch, 31. Aufl., Hanser Verlag, München 2013

[3] Gebhardt, A.: 3D-Drucken – Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing  (AM). 1. Aufl., Hanser Verlag, München 2014

[4] Schumacher, C.: Erarbeitung eines methodischen Vorgehens zur merkmalspezifischen  Charakterisierung der Verarbeitungseignung von nicht verstärkten und faserverstärkten  Kunststoffen im Fused Deposition Modeling am Beispiel von Polyamid 6. Dissertation,  Universität Paderborn 2020

[5] Adam, G. A. O.: Systematische Erarbeitung von Konstruktionsregeln für die additiven  Fertigungsverfahren Lasersintern, Laserschmelzen und Fused Deposition Modeling.  Dissertation, Universität Paderborn 2015

[6] BASF Forward AM: Technisches Datenblatt Ultrafuse TPU 85A. Letzter Zugriff am 09.09.2022 unter: <a href="https://forward-am.com/material-portfolio/ultrafuse-filaments-for-" target="_blank">https://forward-am.com/material-portfolio/ultrafuse-filaments-for-</a> fused-filaments-fabrication-fff/flexible-filaments/ultrafuse-tpu-85a/

[7] Wächter, J.; Moritzer, E.: Je wärmer, desto stabiler. Plastverarbeiter 72 (2021) 4, S. 30– 32

[8] VDI 3405 Blatt 3.2: Additive Fertigungsverfahren – Gestaltungsempfehlungen – Prüfkörper  und Prüfmerkmale für limitierende Geometrieelemente. Beuth Verlag, Berlin 2019

Universität Paderborn  

https://www.uni-paderborn.de

Ausgabenartikel KU11-22

Auswertung der Probekörper zur Definition der geometrischen Limitationen bei der Verarbeitung von TPU im FFF-Verfahren.

Tabelle 1. Verwendete Prozessparameter für die Verarbeitung von TPU 85A

Bild 1. Verwendeter FFF-Drucker von German RepRap für die Probekörperherstellung.

Bild 2. Schematische Darstellung der Oszillation bei der Verarbeitung von TPU zu sehen im Vergleich zwischen einer Bauhöhe von  a) 10 mm und  b) 30 mm.

Bild 3. Probekörpergeometrien zur Ableitung der Gestaltungsrichtlinien für a) Wanddicke,  b) Überhangwinkel, c) Innenradius und d) Außendurchmesser sowie das minimale B/H-Verhältnis.

Bild 4. Auswertung des minimalen Innenradius ohne den Einsatz von Stützstrukturen.

Bild 5. Auswertung der minimalen Wanddicke für eine a) zweiseitige und b) einseitige Anbindung der Prüffläche.

Bild 6. Auswertung des minimalen Überhangwinkels für eine a) gestreckte und b) rotationssymmetrische Geometrie.

Bild 7. Gestaltungsrichtlinien für die Verarbeitung von Ultrafuse TPU 85A im FFF-Verfahren.

KTP - Hauptartikel

Durch die Erarbeitung materialspezifischer Gestaltungsrichtlinien für TPU können die verfahrensbedingten geometrischen Limitationen bereits bei der Bauteilkonstruktion berücksichtigt werden. Dadurch können Iterationen bis hin zum finalen Bauteil reduziert werden.

Gestaltungsrichtlinien für die Verarbeitung von TPU im 3D-Druck

Christian Lennart Elsner arbeitet seit 2020 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) an der Universität Paderborn; <a href="mailto:christian.elsner@ktp.upb.de ">christian.elsner@ktp.upb.de</a>

Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer ist seit 2008 Inhaber des Lehrstuhls für Kunststofftechnologie und Leiter der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) an der Universität Paderborn; <a href="mailto:elmar.moritzer@ktp.upb.de">elmar.moritzer@ktp.upb.de</a>

Die vorgestellten Ergebnisse sind im Rahmen eines Industrieprojektes am Direct Manufacturing Research Center (DMRC) der Universität Paderborn generiert worden. Das DMRC dankt allen beteiligten Industriepartnern für die Unterstützung.