3D-Druck von Harzen: schnelle Härtung mittels UV-LED

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.

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.

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.

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.

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Fraunhofer IAP