3D-Druck von Harzen: schnelle Härtung mittels UV-LED
© Fraunhofer IAP Im Projekt BUERMa wird ein neues 3D-Druckverfahren für Kunstharze entwickelt, mit dem Bauteile schneller gefertigt werden. Es soll außerdem kostengünstiger und präziser als etablierte Verfahren sein.
Ein neues 3D-Druck-Verfahren, das den heute gängigen Verfahren in Druckqualität und -geschwindigkeit sowie bei der Homogenität des Materials deutlich überlegen sein soll, wird in dem Forschungsprojekt »Bandabgelegte, doppelt UV-gehärtete Materialien für 3D-Engineering – Überwindung der Eigenschaftsgrenzen des heutigen Rapid Manufacturings, BUERMa« entwickelt. Unter der Federführung des Forschungsbereichs Polymermaterialien und Composite PYCO des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP arbeiten neben der Freien Universität Berlin und der Technischen Hochschule Wildau zwei Berliner Unternehmen, die sich mit der Schlüsseltechnologie Additive Manufacturing (AM) befassen.
In dem Forschungsprojekt soll ein neuartiges 3D-Druck-Verfahren entwickelt werden, das die einfache, schnelle und effiziente Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen unter Verwendung von kostengünstigen UV-LED-härtbaren Reaktivharzen ermöglicht. Hierdurch lassen sich die Druckzeiten gegenüber gängigen Verfahren der additiven Fertigung signifikant reduzieren. Um hochbelastbare Leichtbaukomponenten herstellen zu können, soll auch der Einsatz von Verstärkungsfasern, Füllstoffen, Flammschutzmitteln sowie leitfähigen Zusatzstoffen untersucht werden. Additiv gefertigte Bauteile sollen so verbesserte Eigenschaften und verschiedenste Funktionalitäten erhalten. Im Fokus steht vor allem die flexible und gleichzeitig wirtschaftliche Kleinserienfertigung von Kunststoffkomponenten. Gefördert wird das dreijährige Projekt, das bis Dezember 2021 läuft, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation innerhalb des Konsortiums Advanced UV for Life (FKZ 03ZZ0145A). Die Auftaktveranstaltung fand am 13. September 2019 statt.
Was sind die Vorteile des BUERMa-Verfahrens?
Das BUERMa-Verfahren besitzt gegenüber etablierten Verfahren zur
additiven Fertigung, wie dem oftmals angewandten Fused Deposition
Modeling (FDM), klare Vorteile. Beim FDM-Prozess werden derzeit
Thermoplaste eingesetzt, also Kunststoffe, die erwärmt werden müssen,
damit sie sich verformen lassen und nach der Herstellung des Bauteils
wieder abkühlen. Diese Materialien haben unvermeidliche Nachteile:
Beispielsweise den Warp-Effekt, durch den sich das Bauteil während des
Abkühlens unkontrollierbar verzieht. Außerdem weisen FDM-Komponenten
meist eine weitaus geringere Beständigkeit gegenüber äußeren
Umwelteinflüssen auf. In dem Projekt BUERMa werden hingegen Kunstharze
eingesetzt. Sie härten durch UV-Bestrahlung zu einem Polymernetzwerk,
den sogenannten Duromeren. Sind sie erst einmal ausgehärtet, lassen sie
sich infolge von Erwärmung kaum verformen. Sie besitzen somit deutlich
höhere Wärmeformbeständigkeiten, wodurch Bauteile detaillierter
gefertigt werden können. Auch gegenüber anderen strahlungsbasierten
3D-Druckverfahren, wie etwa der Stereolithografie (SLA), hat das
BUERMa-Verfahren deutliche Vorteile: weniger Prozessschritte, geringere
Maschinenkosten, weniger Nachbearbeitung der Druckerzeugnisse und
deutlich kostengünstigere Polymermaterialien.
»Mit dem neuen Verfahren möchten wir die Nachteile der am Markt stark
vertretenden thermoplastischen Materialien überwinden. Mit Duromeren
wird beispielsweise eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit erwartet, da
die gedruckten Bauteile direkt beim Austritt aus der Druckdüse mittels
der UV-LEDs gehärtet werden. Weiterhin soll das Verfahren
kostengünstiger als die etablierten Verfahren sein und eine weitaus
höhere Präzision der Bauteile aufweisen«, erklärt Professor Christian
Dreyer, Stellvertretender Leiter des Forschungsbereiches
Polymermaterialien und Composite PYCO am Fraunhofer IAP, der das Projekt
leitet. »Zudem ist es unser Ziel, das Verfahren über das Rapid
Prototyping hinaus für die industrielle Serienfertigung fit zu machen«,
so Dreyer.
Wie werden Harze gedruckt?
Bei dem BUERMa-Verfahren wird ein zähflüssiges Reaktivharz mit einem
Photoinitiator gemischt, in eine Dosiereinheit eingebracht und durch
eine Düse mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,6 Millimetern gepresst.
Das Material wird dann in vorprogrammierten Bahnen abgelegt und
unmittelbar mit UV-LEDs bestrahlt. Dieser Vorgang sorgt dafür, dass sich
die Harze mit Hilfe des Photoinitiators vernetzen und ein äußerst
stabiles Polymernetzwerk bilden – sie härten sofort kontrolliert aus.
Der Schichtaufbau erfolgt dann, wie etwa beim FDM-Verfahren, lagenweise.
»Die Vernetzung ist ein äußerst schneller Prozess. Das Harz härtet
quasi in dem Moment aus, in dem das UV-Licht eindringt. Somit kann sich
das gedruckte Bauteil nur wenig verziehen und es kann sogar noch
schneller gedruckt werden«, so Dreyer. Dass dieses Prinzip grundsätzlich
funktioniert, hat er bereits in Vorstudien nachgewiesen. In dem Projekt
möchte das Forscher-Team nicht nur ein robustes Druckersystem für
Industrieanwendungen entwickeln, sondern auch speziell darauf
abgestimmte Harzformulierungen für verschiedene technische Anwendungen.
Vorgesehen sind ebenfalls Untersuchungen zu Ermittlung von optimalen
Prozessfenstern und -parametern. Als wichtige Stellschrauben, die die
Qualität beeinflussen, gelten dabei die Druck- und
Fördergeschwindigkeit, die Dosiermethode, die Viskosität des Harzes, die
UV-Intensität sowie die Bestrahlungsmethode. Im Rahmen des Projektes
soll dafür ein kompakter, mit UV-LEDs bestückter Druckkopf konstruiert
und entwickelt werden.
Wer ist an der Entwicklung beteiligt?
Simulationen zum Druckprozess und der UV-Bestrahlung sowie
Vorversuche an 3D-Druckern im Labor werden an der TH Wildau
durchgeführt. Gedruckt werden die Harze auf einem FDM-Drucker der Karl
Rabofsky GmbH / PYOT Labs GmbH, der für die speziellen Anforderungen
weiterentwickelt wird. Die Dispenser-Technik des Druckkopfs, mit der das
zähflüssige Harz dosiert werden soll, wird im Forschungsbereich PYCO
des Fraunhofer IAP entwickelt. Auch die optimalen Prozessparameter
werden hier ermittelt. Die Eigenschaften der gedruckten Materialien
sowie die Handhabung der neu entwickelten 3D-Druck-Systeme werden im
Anschluss bei der Bernhardt Kunststoffverarbeitungs-GmbH in Berlin sowie
an der TH Wildau untersucht und gemeinsam mit den Projektpartnern
optimiert. Hier sollen die mit dem neuen Verfahren hergestellten
Bauteile mit konventionell gefertigten verglichen, mögliche Barrieren
für eine schnelle Einführung des Verfahrens in die Praxis identifiziert
und durch geeignete Modifikation des Verfahrens überwunden werden.