Neue Ideen in 3D

:K|CAD CAM

3D-Drucken – Das generative Erzeugen von Bauteilen bietet völlig neue konstruktive Möglichkeiten. Will man diese nutzen, benötigt man jedoch genaue Kenntnisse der technischen Randbedingungen und der Materialeigenschaften.

20. September 2011

Der große Vorteil additiver Fertigungsprozesse besteht darin, komplexe geometrische Strukturen individuell und direkt aus den CAD-Daten fertigen zu können. Dabei scheinen die konstruktiven Möglichkeiten unendlich. Die Heraus-forderung besteht dabei in der Optimie-rung von Materialien beispielsweise durch Simulation.

Der 3D-Kunststoffdruckprozess setzt sich aus den sich wiederholenden Schritten Schichtauftrag, Drucken und Absenken zusammen. Beim Schichtauftrag wird eine dünne Schicht Kunststoffpulver auf die Bauplattform aufgebracht, die im anschließenden Prozessschritt, dem Drucken, mit einer Binderflüssigkeit lokal verfestigt wird. Nach dem Absenken der Bauplattform kann die nächste Kunststoffebene aufgetragen werden. So werden Bauteile Schicht für Schicht produziert und können nach einer Verfestigungszeit von etwa 24 Stunden aus dem Pulverbett entpackt werden.

Durch die schichtweise Fertigung können dabei nahezu beliebige Geometrien produziert werden. Die Herausforderung liegt dabei jedoch in der unvollständigen Polymerisation der Pulverpartikel untereinander und den daraus gegenüber dem Spritzgießen reduzierten mechanischen Eigenschaften. Durch dem Prozess nachgelagerte Wärmebehandlung und Infiltration können die Werte jedoch verbessert werden.

Zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften und zur Minimierung der Maßabweichung durch Schwund lässt sich der Fertigungsvorgang mit Simulationssoftware vorbereiten.

Die konstruktiven Möglichkeiten des 3D-Druckens sind nahezu unbegrenzt. Es gibt keine geometrischen Einschränkungen, nur die Herstellung von Hohlräumen ist nicht möglich, denn dort könnte das unverbrauchte Pulver nicht entfernt werden. Die Fertigung komplexer Bauteile am Stück hat eine Einsparung von Verbindungselementen und Material zur Folge. Zudem können Funktionen durch geometrische Formen integriert werden. Dazu zählen beispielsweise Gelenke, Federn oder Verschlüsse.

So stehen bei der Entwicklung von Produkten Funktion und Aussehen an erster Stelle, es muss keine Rücksicht auf Fertigung und Monra genommen werden.

Wirtschaftliche Vorteile bietet das 3D-Druckverfahren nicht nur durch den kurzen Preprozess, der es ermöglicht, ein neues Bauteil innerhalb weniger Stunden aus CAD-Daten zu erstellen. Werkzeuge werden lediglich zur Nachbearbeitung benötigt und das unverbrauchte Material kann nach einem Siebvorgang weiterverwendet werden. Durch die uneingeschränkten geometrischen Möglichkeiten können Material sowie Montagezeit und somit Kosten gespart werden. Diese Vorteile kommen besonders bei komplexen Bauteilen mit Stückzahlen bis 5.000 zum Tragen. Für Mittel- und Großserienproduktion eignen sich Spritzgussverfahren oder auch das Fräsen besser.

Werkstoffkundliche Herausforderung

Um das Verhalten eines 3D-gedruckten Materials zu beschreiben, wird ein inneres Materialmodell erstellt, welches anschließend in einer FEM-Simulation einer Zugbelastung unterzogen wird. Ziel ist es, durch Variation der Parameter den Einfluss der verschiedenen Werkstoffkonfigurationen wie Bindereintragsmenge, Korngrößenfraktionierung und Raumfüllungsgrad auf die mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Dabei werden die aus den angreifenden Kräften resultierenden Spannungen im Versuchskörper berechnet.

Der Werkstoffzusammenhalt resultiert aus dem Verkleben von Pulver und polymerisiertem Binder. Dadurch entsteht ein poröses Gefüge. Eine Steigerung des Raumfüllungsgrades verbessert die mechanischen Eigenschaften. Dies kann durch Änderung des Auftragsmechanismus geschehen, so- dass eine Verdichtung stattfindet. Ein weiterer Ansatz wäre, dem Binder Partikelteilchen als sogenannten Filler beizumischen.

Eine andere Optimierungsmöglichkeit ist es, die Menge des eingebrachten Binders zu vermindern. Nach der Polymerisation des Binders besitzt dieser eine geringere Härte als die PMMA-Kugeln. Steigt der Volumenanteil des Binders, so sinkt damit die ertragbare Spannung der Volumenelemente. Dadurch nimmt die Dehnung der Modelle zu. Mit Hilfe von Simulationsreihen wurde ermittelt, dass die Festigkeit des Werkstoffes mit sinkendem Bindereintag zunimmt. Der Binderanteil kann jedoch nicht zu stark reduziert werden, da sonst der Zusammenhalt zwischen den Kugeln nicht mehr gewährleistet ist. Der Grenzwert liegt bei etwa 10 % der Pulvermenge.

Um die Auswirkungen des beim 3D-Drucken auftretenden Schwunds abschätzen zu können, wurde das Verhalten während der Verfestigung simuliert. Hierfür wurde ein schichtweises Modell aufgebaut, welches mit unterschiedlichem Schwundverhalten belegt werden kann. Als Referenzbauteil wurde ein quaderförmiger Volumenkörper gewählt, welcher in zehn äquivalente Schichten unterteilt wird.

Da der Bindereintrag von oben über einen Druckkopf erfolgt, ergibt sich in jeder Schicht ein vertikaler Gradient im Masseneintrag des Binders. Da prozessbedingt über den Druckvorgang einer Schicht hinweg der Binderanteil abnimmt, wurden die Schichten zudem noch vertikal in fünf Elemente unterteilt.

Das gedruckte Bauteil sollte langsam und möglichst gleichmäßig aushärten, um innere Spannungen zu vermeiden. Die Verbindung der Pulverpartikel sollte sich jedoch schnell vollziehen, um ungleichmäßiges Schwinden zu vermeiden. Dies führt allerdings zu Volumenverlust durch innere Druckspannungen. Des Weiteren ist es vorteilhaft, entweder eine stärkere Reaktion, die schnell abklingt, oder eine langsame, aber konstante Reaktion zu verwenden.

Mit 3D-Drucken lassen sich komplexe und kundenindividuelle Produkte herstellen. Geometrische Restriktionen ergeben sich lediglich durch die Einschränkung, Hohlräume ohne Pulver zu fertigen. Es ist jedoch zu beachten, dass die mechanischen Eigenschaften und auch die Maßhaltigkeit noch hinter den Erfordernissen zurückbleiben. Die Simulation zeigt bei erhöhtem Bindereintrag höhere Festigkeiten aber auch größeren Schwund. Individuell ist somit eine Lösung im Spannungsfeld aus Genauigkeit und Festigkeit zu finden und gemäß der Vorgabe erhöhter mechanischer oder geometrischer Eigenschaften zu fertigen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2011