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18.04.2018

Industrieller 3D-Druck

Projekt vergleicht generative Fertigungsverfahren

Am Kunststoff-Institut Südwest werden Untersuchungen für alle im Markt verfügbaren 3D-Druck-Verfahren durchgeführt, um den Anwendern zielgerichtete Handlungsempfehlungen für den individuellen Anwendungsfall aussprechen zu können.

Nach einem Projekt ist vor dem nächsten Projekt: In Abwandlung einer berühmten Fußballerweisheit ist das Kunststoff-Institut Südwest in die zweite Phase des Verbundprojekts „Industrieller 3D-Druck“ gestartet. Das Vorhaben bearbeitet ausschließlich praxisrelevante Themen die durch die Bedürfnisse der beteiligten Industrieunternehmen gelenkt werden.

  • Referenzbauteil zur Untersuchung der technischen Eigenschaften der unterschiedlichen Verfahren und Materialien. Der Ursprung des Bauteils entstammt einem Gehäuse mit obenliegender Dichtung. In das Bauteil wurden zusätzliche Strukturen zur Vermessung und Erprobung eingebracht. Umlaufend wurde zusätzlich ein Kanal zur Untersuchung mit Druckluftbeaufschlagung angebracht (© Kunststoff-Institut Südwest)

    Referenzbauteil zur Untersuchung der technischen Eigenschaften der unterschiedlichen Verfahren und Materialien. Der Ursprung des Bauteils entstammt einem Gehäuse mit obenliegender Dichtung. In das Bauteil wurden zusätzliche Strukturen zur Vermessung und Erprobung eingebracht. Umlaufend wurde zusätzlich ein Kanal zur Untersuchung mit Druckluftbeaufschlagung angebracht (© Kunststoff-Institut Südwest)

  • Soll-Ist-Abgleich bei lasergesintertem PA12. Die Detailstruktur ist Bestandteil des Referenzbauteils (© Kunststoff-Institut Südwest)

    Soll-Ist-Abgleich bei lasergesintertem PA12. Die Detailstruktur ist Bestandteil des Referenzbauteils (© Kunststoff-Institut Südwest)

  • Detailaufnahme des Referenzbauteils aus ABS Material. Die Fülllinien, welche beim Fused-Deposition-Modeling (FDM) entstehen sind gut sichtbar (© Kunststoff-Institut Südwest)

    Detailaufnahme des Referenzbauteils aus ABS Material. Die Fülllinien, welche beim Fused-Deposition-Modeling (FDM) entstehen sind gut sichtbar (© Kunststoff-Institut Südwest)

  • Detailaufnahme des Referenzbauteils aus PAEK (Lasersintern) (© Kunststoff-Institut Südwest)

    Detailaufnahme des Referenzbauteils aus PAEK (Lasersintern) (© Kunststoff-Institut Südwest)

  • Spannungs-Dehnung-Diagramm für unterschiedliche Materialien (© Kunststoff-Institut Südwest)

    Spannungs-Dehnung-Diagramm für unterschiedliche Materialien (© Kunststoff-Institut Südwest)

  • Topographie des Referenzbauteils mit sehr guter Oberflächenqualität. Herstellungsverfahren: Stereolithographie (© Kunststoff-Institut Südwest)

    Topographie des Referenzbauteils mit sehr guter Oberflächenqualität. Herstellungsverfahren: Stereolithographie (© Kunststoff-Institut Südwest)

  • Topographie des Referenzbauteils mit mittlerer Oberflächenqualität. Herstellungsverfahren: Lasersintern (© Kunststoff-Institut Südwest)

    Topographie des Referenzbauteils mit mittlerer Oberflächenqualität. Herstellungsverfahren: Lasersintern (© Kunststoff-Institut Südwest)

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Die additiven Fertigungsverfahren haben sich nicht nur in Teilen des Prototypenbaus durchgesetzt, durch die stetige Entwicklung neuer Werkstoffe und Verfahren lassen sich viele Möglichkeiten umsetzen. Jetzt zielt die Entwicklung darauf ab, serienidentische Endnutzerteile (z.B. für Ersatzteile) im direkten, werkzeuglosen Verfahren herzustellen.

Phase 1: Eigenschaften ermitteln und vergleichen

Bei dem einjährigen Projekt standen verschiedene Meilensteine auf der Agenda: Im Rahmen des Vergleichs additiver Herstellungsverfahren unter der Leitung von Dr. Oliver Keßling wurde eine Vielzahl von Tests und Messungen vorgenommen.

Der Versuchsplan adressierte dabei zahlreiche Eigenschaften der Bauteile, denn die unterschiedlichen Verfahren besitzen jeweils Vor- und Nachteile. Sie unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich der verwendeten Materialien, der möglichen Auflösung, der thermischen Stabilität der Bauteile, der mechanischen Eigenschaften, der Oberflächenqualität, der Baugeschwindigkeit, im Materialpreis und in den Anforderungen an die Infrastruktur.

Um die unterschiedlichen Eigenschaften zu ermitteln und zu vergleichen, wurde ein umfassender Versuchsplan entworfen. „Diese so gewonnenen Werte geben Konstrukteuren Hilfestellung für die Auslegung von Bauteilen. Gleichzeitig lässt sich ermessen, inwieweit die Anforderungen der industriellen Fertigung bereits erfüllt werden“ erläutert Keßling. Hierzu wurde unter anderem ein Referenzbauteil verwendet, welches in Bild 1 dargestellt ist. Die Untersuchung der Detailmaße ist in Bild 2 exemplarisch für das Material Polyamid-12 dargestellt.

Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass es große Unterschiede hinsichtlich der Qualität der Bauteile gibt. Auf der einen Seite können 3D-Druck-Verfahren bereits industriell eingesetzt werden, auf der anderen Seite gibt es aber auch Verfahren und Materialien, die den industriellen Ansprüchen nicht gerecht werden. „Ziel des Projektes war und ist es genau diese Unterschiede herauszuarbeiten“ erläutert Keßling. In Bild 3 und 4 sind Detailausschnitte des Referenzbauteils unterschiedlicher Materialien dargestellt.

Es wurden zwölf unterschiedliche Materialien getestet. Die Bauteile wurden nicht nur direkt nach der Produktion vermessen, sondern auch nach einer 500 h dauernden Warmlagerung und im Anschluss einer UV-Bestrahlung. Weiterhin wurde die Beständigkeit gegenüber Öl und Alkohol getestet. In einer Benchmark-Matrix wurden die Ergebnisse zusammengeführt und bewertet. Bei dieser Bewertung fanden ferner die Kosten der Bauteile Berücksichtigung. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass es hierbei keinen Gewinner gibt, sondern je nach Anwendung und Anforderung besser und weniger geeignete Materialien und Verfahren. Ein Überblick der Zugfestigkeiten ist in Bild 5 dargestellt.

Insgesamt zogen die Teilnehmer ein sehr positives Fazit: „Durch die intensive Auseinandersetzung mit dem Thema additive Fertigung konnten den Teilnehmern tiefere Einblicke in die Prozesse und die technischen Möglichkeiten des 3D-Drucks gewährt werden. Wir werden dieses Wissen als Optimierung für die Prototypenherstellung und für die Hinführung zu einer seriellen, additiven Produktion nutzen. Des Weiteren entsteht durch den Austausch der Teilnehmer untereinander ein breit gefächertes Informationsnetzwerk“ befindet Walter Hofmann, ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG.

Phase 2: Gesamte Prozesskette im Blick

In der nun beginnenden zweiten Phase des Projekts, zu der ein Quereinstieg jederzeit möglich ist, steht die Fortschreibung der Benchmark-Matrix im Fokus. „In der Projektphase 2 erhoffen wir uns weitere Erkenntnisse darüber, wie durch die Betrachtung der gesamten Prozesskette Kundenanforderungen an ein finales Bauteil noch besser erfüllt werden können. Beide Aspekte – Bauteileigenschaften selber und Bauteiloptimierung durch Nachbehandlungsverfahren – sind entscheidend für den Einsatz der Additiven Fertigung in Produktionsumgebungen“ befindet Fabian Stöver, Senior Product Manager Polymer Laser Sintering EOS GmbH Electro Optical Systems.

Ziel des auf 18 Monate angelegten Projektes ist es darüber hinaus, die gesamte Prozesskette im 3D-Druck zu untersuchen. Neben dem eigentlichen Herstellungsprozess rücken damit auch Themen wie Nachbearbeitung und Qualitätssicherung in das Interessenfeld. „Neben den aussagekräftigen Untersuchungen wie Zugversuch, Prüfung der Schlagzähigkeit und Messung der Oberflächenrauigkeit sind auch kundenspezifische Tests möglich“, so Keßling. In Bild 6 und 7 sind unterschiedliche Oberflächentopographien dargestellt.

Die Untersuchungen erfolgen dabei im institutseigenen Labor, sodass die Personaleinbindung der Projektteilnehmer auf ein Minimum reduziert werden kann. Das Kunststoff-Institut Südwest sieht das Thema 3D-Druck als wichtigen Schwerpunkt für die Zukunft und engagiert sich z.B. auch in einem geförderten Forschungsprojekt zum Thema 3D-Bioprinting. (ys)

Fabian Stöver, Senior Product Manager Polymer Laser Sintering, EOS GmbH (© EOS)

Fabian Stöver, Senior Product Manager Polymer Laser Sintering, EOS GmbH (© EOS)

Fabian Stöver, Senior Product Manager Polymer Laser Sintering, EOS GmbH:

“Als führender Lösungsanbieter im Bereich des pulverbasierten additiven Laser-Sinter-Verfahrens haben wir uns in der Phase 1 des Projektes gerne mit unserem langjährigen Expertenwissen aktiv in Gespräche rund um die Bewertung von Bauteileigenschaften und die Erarbeitung relevanter Qualitätskriterien eingebracht. Dafür hat EOS das Projekt u.a. mit der Herstellung von Prüfkörpern unterstützt. In der Projektphase 2 erhoffen wir uns weitere Erkenntnisse darüber, wie durch die Betrachtung der gesamten Prozesskette Kundenanforderungen an ein finales Bauteil noch besser erfüllt werden können. Beide Aspekte – Bauteileigenschaften selber und Bauteiloptimierung durch Nachbehandlungsverfahren – sind entscheidend für den Einsatz der Additiven Fertigung in Produktionsumgebungen.“

Christoph Carle, ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG:

„Wir haben bereits verschiedene Projekte in Zusammenarbeit mit dem Kunststoff-Institut Südwest und dessen Partner, dem Kunststoff-Institut Lüdenscheid, bearbeitet und wurden so auch auf dieses Projekt aufmerksam. Derzeit befinden sich bereits drei 3D-Drucker im Haus, welche für den Prototypenbau eingesetzt werden. Das Interesse zur Teilnahme und der Unterstützung resultiert aus dem Gedanken unsere Erfahrungen und unser Wissen bezüglich der additiven Herstellung von Bauteilen und den dazugehörigen Maschinen zu erweitern und dieses gezielt für verschiedenste Anwendungen einsetzen zu können. Auch können durch das breite Spektrum an Teilnehmern, von Maschinenherstellern bis Anwendern, vielfältige Kontakte geknüpft werden, sodass durch den Austausch der Teilnehmer untereinander ein breit gefächertes Informationsnetzwerk entsteht. Durch die intensive Auseinandersetzung des Instituts mit dem Thema additive Fertigung können den Teilnehmern tiefere Einblicke in die Prozesse und die technischen Möglichkeiten des 3D-Drucks gewährt werden. Wir werden dieses Wissen als Optimierung für die Prototypenherstellung und für die Hinführung zu einer seriellen, additiven Produktion nutzen.“

Über das Kunststoff-Institut Südwest

Das Kunststoff-Institut Südwest unterstützt Unternehmen bei der Auswahl, der Entwicklung, der Optimierung und Umsetzung von Produkten, Werkzeugen und Prozessabläufen und Qualitätsthemen im gesamten Bereich der Kunststofftechnik. Als rein privatwirtschaftlicher Dienstleister ist der Anspruch der strikte Praxisbezug. Dieser verdeutlicht sich in der anwenderorientierten Unterstützung der Auftraggeber mit dem Ziel der Steigerung von Qualität und Wirtschaftlichkeit. Die Umsetzung von Innovationen und der Know-how-Transfer in die kunststoffverarbeitenden Betriebe werden durch Schulungen, Veranstaltungen und Projekte für den Informations- und Erfahrungsaustausch geschaffen.

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Weitere Informationen und Kontakt:
Dr. Oliver Keßling
kessling@kunststoff-institut.de
07721 9978015

Unternehmensinformation

Kunststoff-Institut Südwest GmbH & Co. KG

Hermann-Schwer-Str. 3
DE 78048 Villingen-Schwenningen
Tel.: 07721 99780-0
Fax: 07721 99780-99

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