Materialien für den 3D-Druck

Andreas Mühlbauer,

Materialentwicklung für additive Fertigung

Um der additiven Fertigungstechnologie in der Industrie zum Durchbruch zu verhelfen, sind in Zukunft neben leistungsstarken 3D-Druckern auch neuartige, robuste und verschleißfeste Druckmaterialien gefragt. Materialforscher treiben deshalb unter Hochdruck die Entwicklung voran. Von Gerhard Baus

Ein selbstgebauter Hochtemperatur-3D-Drucker sorgte bei Igus für die Entwicklung eines neuen verschleißfesten und hitzebeständigen Filaments. © Igus

Prototypen, Ersatzteile, Serien und Werkzeuge kommen immer häufiger aus dem 3D-Drucker. Laut einer Bitkom-Umfrage gilt der 3D-Druck für 78 Prozent der Betriebe als Schlüsseltechnologie, die Wertschöpfungsketten tiefgreifend verändern wird. Auch Igus bietet einen 3D-Druckservice für Industriebetriebe an und bemerkt eine steigende Nachfrage. „Kunden haben den 3D-Druckservice so gut angenommen, dass wir 2018 unsere Lasersinter-Kapazitäten verdreifacht haben“, sagt Tom Krause, Leiter des Geschäftsbereichs Additive Fertigung. „2019 haben wir unsere Kapazitäten bereits verdoppelt.“

Die Vorteile des 3D-Drucks liegen auf der Hand. Drucker stellen Unikate und sogar Serien schnell und kostengünstig her. Klassische Fertigungstechnologien wie der Spritzguss hingegen stoßen bei niedrigen Auflagen an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit, denn aufgrund der zeitaufwendigen Herstellung von Gussformen sind die Initialkosten hoch und erst für Großserien rentabel. Zudem bietet der 3D-Druck Konstrukteuren größere Freiheiten: Komplexe Geometrien und innere Strukturen werden im Handumdrehen gefertigt. Traditionelle Verfahren, etwa subtraktives Drehen und Fräsen, Urformen wie Gießen und Schmieden, scheitern oder benötigen Fügetechnik wie Kleben, Schweißen oder Schrauben.

Anzeige

Neue Polymere für den 3D-Druck

Um den Erfolg der additiven Fertigungstechnik zu sichern, sind nicht nur leistungsstarke 3D-Drucker notwendig. Gefragt sind auch neuartige Druckmaterialien – derzeit vor allem aus Kunststoff und Metall. Doch mit klassischen Polymeren wie Polylactid (PLA), Polyamid (PA12) und Arcylnitril-Butadien-Styrol (ABS) lassen sich keine Produkte herstellen, die in puncto Lebensdauer und Verschleißfestigkeit Industrieanforderungen entsprechen; hohe Reibwerte, hohe Verschleißraten und niedrige Temperaturbeständigkeit sprechen dagegen. Gefragt sind neuartige Hochleistungspolymere für den industriellen 3D-Druck. Ihre Qualität wird darüber entscheiden, wie schnell sich der 3D-Druck von Kunststoffbauteilen in der Industrie ausbreitet. Forscher auf der ganzen Welt entwickeln deswegen neuartige Hochleistungspolymere.

Herstellung eines Bauteils aus Iglidur I3 im Lasersinter-Verfahren. © Igus

Seit 2014 bietet Igus Materialien für 3D-Drucker an. Das Sortiment umfasst Spezial-Filamente für den 3D-Druck im Strangablegeverfahren (FDM/FFF) und Kunststoffe für das Selektive Lasersintern (SLS). Das Hauptaugenmerk der Entwickler liegt dabei auf Verschleiß- und Abriebfestigkeit, Eigenschaften, die zu einer hohen Lebensdauer der Bauteile führen – etwa von Gleitlagern, Zahnrädern, Rollen, Greifern und Gelenken. „In puncto Robustheit hält der 3D-Druck sogar mit dem Spritzgussverfahren mit“, sagt Krause. „Tests haben gezeigt, dass die Verschleißfestigkeit der additiv gefertigten Teile absolut vergleichbar mit Spritzgussteilen ist. Unsere tribologisch optimierten Filamente sind dabei bis zu 50-fach abriebfester als gängige 3D-Druckmaterialien.“

Die Entwickler achten nicht nur auf Verschleißfestigkeit. „Das Angebot reicht von 3D-Druck-Materalien für einfache Verarbeitung über Filamente mit hoher Festigkeit und Bruchdehnung bis hin zu chemikalienbeständigen Materialien und Hochtemperatur-Werkstoffen.“ Da sich das Unternehmen auf die bewegte Anwendung konzentriert, sind alle 3D-Druck-Materialien auf hohe Abriebfestigkeit und niedrige Reibwerte optimiert. Zu den Allroundern zählt Iglidur I180-PF, ein Filament, geeignet für Kleinserien oder Einzelanfertigungen. Iglidur J260-PF hingegen ist prädestiniert für hohe Anwendungstemperaturen. Nutzen lassen sich die Filamente auf allen handelsüblichen Druckern. Für das SLS-Verfahren bietet Igus zudem Iglidur I3-PL und I6-PL an. Auch diese Materialien sind sehr robust und verschleißfest. „Unsere tribologischen Versuche zeigen: Der Hochleistungskunststoff Iglidur I3 hat eine mindestens um den Faktor 3 bessere Abriebfestigkeit als herkömmliche Materialien für das Lasersintern“, sagt Krause.

Doch nicht nur deshalb stellt der 3D-Druckservice der Kölner die meisten Teile beim Lasersintern aus diesem Material her. Es hat zudem das beste Preis-Leistungs-Verhältnis unter den unternehmenseigenen 3D-Druck-Materialien. Um diesen Service zu nutzen, muss der Kunde lediglich die CAD-Datei eines Verschleißteils zur Verfügung stellen. Ist diese nicht vorhanden, kann Igus das Bauteil mit einem 3D-Scanner digitalisieren. Alternativ kann der Kunde selbst mit dem kos- tenlosen Konfigurator ein 3D-Modell von seinem Bauteil erstellen. Im nächsten Schritt wählt er ein Druckmaterial, das für seine Anwendung geeignet ist. Orientierung bietet hier ein Online-Tool, das auf aktuelle Ergebnisse aus dem Testlabor zurückgreift. Anschließend beginnt der Druck. Igus verfügt sowohl über Fused-Deposition-Modelling (FDM)-Drucker als auch Geräte für das Selektive Lasersintern (SLS). Beim FDM-Verfahren fließt geschmolzener Kunststoff durch eine Düse. Beim SLS-Verfahren hingegen verschmilzt ein Laser Kunststoffpulver. Mit beiden Verfahren lassen sich Unikate und Serien von bis zu 5.000 Stück kosteneffizient herstellen. Zahnräder mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Tiefe von 16 mm kosten im SLS-Verfahren bei 100 Exemplaren 1,70 Euro pro Stück. Das gefräste Pendant kostet rund 2,80 Euro.

Für die hauseigene Forschung und Entwicklung baut Igus auch selbst 3D-Drucker. In einem Hochtemperatur-3D-Drucker haben die Konstrukteure eine Düse eingebaut, die das Druckmaterial bei einer Hitze von 370 °C aufschmilzt. Um bei Bauraumtemperaturen von bis zu 200 °C ein präzises Verstellen der Bauplatte zu ermöglichen, kommen schmiermittelfreie Linearlagerfolien und Spindelmuttern aus den Iglidur-Hochleistungskunststoffe zum Einsatz. Ebenso hitzebeständige Edelstahlkomponenten der Drylin-W-Linearführung und Dryspin-Steilgewindespindeln in der X-, Y- und Z-Achse.

3D-gedruckte Spritzgusswerkzeuge

3D-Druck ist nicht für alle Aufträge geeignet. Viele Kunden wünschen sich Materialien, die sich bislang nur im Spritzgussverfahren oder aus Halbzeugen verarbeiten lassen. Dazu sind jedoch zeit- und kostenintensive Sonder-Spritzgusswerkzeuge nötig. Igus fertigt daher unter dem Namen „Print2mold“ die Gussformen additiv. „Mit Print2mold sind wir in der Lage, Spritzgusswerkzeuge innerhalb eines Tages herzustellen und die Kosten im Vergleich zu gefrästen oder erodierten Werkzeugen um bis zu 80 Prozent zu reduzieren“, sagt Krause. „Dank des Verfahrens lassen sich zudem besonders feine Details und komplexe Strukturen realisieren.“ Der Anwender kann sich frei aus der Iglidur-Werkstoffpalette bedienen. Das Print2mold-Verfahren hat das Unternehmen in seinen Online-3D-Druckservice integriert. Die Fertigung von Sonderteilen in dem Verfahren zeichnet sich vor allem als zeitsparende Lösung für die Prototypenentwicklung sowie für Kleinserien aus. So erhält der Kunde die Möglichkeit, bereits im Frühstadium seiner Entwicklung serienidentische Bauteile zu erhalten.

Und was bringt die Zukunft? „Eine spannende Frage ist die wirtschaftliche Fertigung von Multimaterial-Bauteilen für die Einbringung noch gezielterer Materialeigenschaften“, sagt Tom Krause. „Beispielsweise sind Hart-Weich-Kombinationen bereits umgesetzt. Für die Skalierbarkeit sind jedoch noch technologische Weiterentwicklungen nötig. Außerdem arbeitet Igus intensiv daran, alle bestehenden Iglidur-Materialien für den 3D-Druck zu befähigen.“

Gerhard Baus, Leiter New Businesses Development, Igus / am

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige