Die Unternehmen Akro-Plastic GmbH, Plasmatreat GmbH sowie Yizumi Germany GmbH präsentierten auf der Fakuma 2021 eine Kombination von Ideen zum Thema 3D-Druck.
Foto: Akro-Plastic
Der Grundgedanke des Projekts der drei innovativen Unternehmen ist der 3D-Druck eines hochfesten nachhaltigen Kunststoffs auf ein mit einem plasmapolymerisierten Haftvermittler beschichtetes Edelstahlblech.
„Das 3D-Drucken von hochbelasteten, großvolumigen Bauteilen nimmt immer mehr an Bedeutung zu“, weiß Michael Rieck, Business Development Manager, Akro-Plastic GmbH. Dabei stellt sich nach Angaben des Compoundeurs das SEAM-Verfahren (Screw Extrusion Additive Manufacturing) durch die Verwendung von Standard-Granulat und hohen Durchsätzen von mehr als 5 kg/h als besonders günstige Methodik heraus. Beim Drucken von faserverstärkten Kunststoffen kann eine sehr hohe Ausrichtung der Fasern erreicht werden (Anisotropie). Bei optimalen Bedingungen können Festigkeiten oberhalb der von spritzgegossenen Geometrien erreicht werden.
„Die erzielbaren Durchsätze und Materialeigenschaften machen kombiniert mit einem bauteilgerechten Design auch Stückzahlen jenseits von 10.000 Stück in additiver Fertigungsweise möglich und bieten eine Alternative zum Spritzguss. Diese Grenze kann je nach Geometrie und Anlage auch deutlich weiter nach oben gesetzt werden“, erläutert Dr. Nicolai Lammert, Head of Business Unit Additive Manufacturing, Yizumi Germany GmbH. „Eine Skalierung über Anlagenanzahl oder innerhalb einer Fertigungszelle über die Anzahl der Extruder und Düsen vervielfacht die Stückzahl pro Stunde bei geringen Investitionskosten“.
Die Flexibilität des Verfahrens erlaubt nach Angaben der drei Unternehmen neue Designs in 3D-Raumstrukturen, die im Spritzguss nicht abgebildet werden können. Bei der Verwendung einer 3D-Wabenstruktur können extreme Drucklasten mit geringen Bauteilgewichten getragen werden.
Im 3D-Druck werden oft amorphe Kunststoffe verwendet, da sie deutlich weniger schwinden als teilkristalline und sich somit weniger verziehen. Die Haftung an der Bauplattform wird durch eine geringere Kontraktion deutlich verbessert.
Akro-Plastic entwickelt faserverstärkte Compounds mit teilkristallinen Polymeren. Diese kombinieren eine hohe chemische Beständigkeit mit einer hohen Steifigkeit, Festigkeit und Dimensionsstabilität, die in der additiven Fertigung für hohe Durchsätze sorgen. Das Akromid® Next U3 40 1 black (8238) ist ein Polymer auf Basis von Rizinusöl. Der Biomasseanteil im Polymer ist 97 %, das Compound ist zudem mit 40 % wiederverwerteten Kohlefasern (PIR) verstärkt. Laut Angaben des Compoundeurs ist die Schwindung des Werkstoffs so gering, dass sich auch sehr große Bauteile mit fast 4 Metern Layerlänge problemlos herstellen lassen. Die Mechanik ist mit einem E-Modul von 20 GPa und einer Festigkeit von 190 MPa sehr hoch und trotzdem mit einer Reißdehnung von 3,5 % extrem duktil.
Die Schaffung einer festen Verbindung zwischen normalerweise inkompatiblen Materialien, wie in diesem Beispiel einem hochfesten, nachhaltigen Kunststoff und einem Edelstahlblech, wurde auf der Fakuma am Beispiel des Stiftehalters gezeigt. Hier kam die PlasmaPlus-Technologie von Plasmatreat zum Einsatz. Auf dem Blech wurde mit dem speziellen PlasmaPlus-Verfahren PT-Bond eine Nanoschicht abgeschieden und somit die Schmelze auf dem Metall zur Haftung gebracht. „PT-Bond ist eine spezielle Nanoschicht, die mit unserer PlasmaPlus-Technologie kreiert wird, um funktionalisierte Oberflächen zu schaffen. Beim Einsatz von PT-Bond wird dem unter Atmosphärendruck erzeugten Plasmastrahl ein gasförmiger Präkursor injiziert. Das Substrat wird mit einer hauchdünnen, transparenten, plasmapolymeren Schutzschicht überzogen. Diese fungiert dann als Haftvermittlerschicht“, erklärt Lukas Buske, Head of Plasma Applications, Plasmatreat GmbH, das Verfahren. „So können wir Materialien langzeitstabil miteinander verbinden und die Einsatzfelder von 3D gedruckten Bauteilen flexibel für die industrielle Fertigung erweitern.“