Ziel der Entwicklung

Ziel ist es, das Potenzial der Polyurethane in der Hochdruckverarbeitung für das Prototyping größerer Geometrien zu erschließen. Zu untersuchen war demnach, welche Anforderungen an Material, Maschine und Prozess gestellt werden müssen.

Vorteile und Lösungen

Im Rahmen der Projektarbeit wurde eine Versuchsplattform entwickelt, in der die PUR-Hochdrucktechnik mit einer x-y-Verfahreinheit gekoppelt wurde. Dies und die Möglichkeit der Verfahrung des Mischkopfes in z-Achse schafft die technische Voraussetzung, frei programmierbare Geometrien abzubilden. Die Einbindung eines Drehtellers auf der x-y-Verfahreinheit schafft zusätzliche Variationsmöglichkeiten. Die Kommunikation der beteiligten Anlagenpartner funktioniert gut, bis auf die Einschränkung, dass Mengenabweichungen vor allem bei kleinen Schusszeiten auftreten, wenn der x-y-Tisch die Schusssteuerung übernimmt. Die Versuchsplattform bildete die Grundlage für die zahlreichen Untersuchungen unter Variation technologischer Parameter und Modifikation des Materials.
Mit dem Verfahren konnten diskrete Punkte im diskontinuierlichen Verfahren und Stränge, Mäander oder andere Geometrien im kontinuierlichen Verfahren abgelegt werden. Das Verhalten beim Ablegen des PUR-Materials konnte durch Additive in Form von Thixotropierungsmitteln beeinflusst werden. Die besten Ergebnisse lieferten dabei die chemisch wirkenden Thixotropierungsmittel. Den größten Einfluss auf die abgelegten Geometrien hat die Austragsmenge des Materials pro Zeit. Die Austragsmenge ist material- und maschinenabhängig. Eine reproduzierbare Vermischung und Prozesssicherheit war erst ab Austragsmengen von acht Gramm pro Sekunde (materialabhängig) gegeben.
Damit konnten keine filigranen Gebilde dargestellt werden, was aber auch nicht Ziel des Projektes war. Mit dieser Technologie können größere Bauteile (Konturen) mit geringem Zeitaufwand hergestellt werden. Um scharfe Konturen zu erhalten müssten die erstellten Bauteile entsprechend nachbearbeitet werden.
Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Stützstrukturen. Dazu wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, die aber eher orientierenden Charakter besitzen. Durch die Verwendung von starren Stützstrukturen konnten dreidimensionale Geometrien mit Hinterschnitten mit dem flexiblen PUR-System hergestellt werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Verwendung von Stützstrukturen (Begrenzungen) notwendig sein wird, um die Hochdrucktechnologie erfolgreich im Prototyping anwenden zu können. Dabei kommt der Entwicklung von innovativen Stützkonzepten eine maßgebliche Rolle zu.

Zielgruppe und Zielmarkt

Speziell die additive Polymerherstellung erreichte in 2018 einen Jahresumsatz von 5,5 Milliarden Us-Dollar (Anteil von zirka 56 Prozent). Dabei bilden die Regionen Nordamerika und Europa die Regionen mit dem größten Marktanteil. In Europa sind es vor allem Deutschland, Großbritannien, Italien und Frankreich, welche die Entwicklung und Anwendung vorantreiben. Allein in Deutschland stieg die Nutzung der AF-Technologie von zirka 37 in 2016 auf zirka 65 Prozent in 2019 .
Für Deutschland geht man von zirka zehn Prozent des weltweiten 3D-Druck-Marktes aus. Insbesondere der industrielle 3D-Druck (reale AF-Bauteile) ist ein Wachstumstreiber der Branche. Hier sind vor allem der Kunststoff- sowie Metalldruck gefragt. Dabei finden aber die chemisch reaktiven Materialien, die vermischt und abgelegt werden, bisher kaum Anwendung in den additiven Verfahren.
Die in Frage kommenden reaktiven Materialien, wie Polyurethan oder Silikon kommen in den 3D-Druck Anwendungen bisher überwiegend als Einkomponenten-System oder Thermoplast (PUR) zum Einsatz. Mit der während der Projektbearbeitung installierten Technologie steht eine Versuchsplattform für die generative Fertigung von Bauteilen aus reaktivem PUR mittels Hochdrucktechnik zur Verfügung.
Verglichen mit den anderen 3D-Druck-Technologien hat die Verwendung von reaktiven Polyurethanen (kompakt oder Schaum) den Vorteil, dass größere Strukturen in kurzen Zeiten hergestellt werden können. Beim Selektiven Lasersintern (SLS) kann zirka ein Zentimeter pro Stunde und beim Multi-Jet-Fusion-Verfahren, einem der schnellsten 3D-Druck-Verfahren kann mit einer Geschwindigkeit von zirka drei Zentimeter pro Stunde gedruckt werden. Beim Prototyping mit PUR können diese Geschwindigkeiten deutlich angehoben werden auf zirka 13 Meter pro Minute, sodass sich die Fertigungszeiten verkürzen.
Die Materialkosten beim Polyjet-Verfahren für die UV-reaktiven Materialien belaufen sich auf zirka 250 Euro pro Kilogramm . Materialpreis für die Filamente beim FDM-Verfahren belaufen sich auf größer 25 Euro pro Kilogramm und beim SLS-Verfahen auf zirka 80 Eurp pro Kilogramm. Um Hinterschnitte zu realisieren werden Stützstrukturen gedruckt, die anschließend ausgewaschen oder mechanisch entfernt werden. Da bisher im Projekt nur modifizierte PUR-Systeme zu interessanten Ergebnissen geführt haben, muss dieser Aufwand in den Materialpreis eingerechnet werden. Beim PUR ist inklusive der Anpassung des Materials von einem Materialpreis von 15 bis 18 Eurp pro Kilogramm auszugehen ist. Damit ergibt sich ein erheblicher Preisvorteil beim Materialeinsatz. Allerdings sind die erzielbaren Qualitäten bisher noch nicht mit denen von herkömmlichen 3D-Druckern vergleichbar. Auf Grund der höheren Austragsmenge können größere Objekte in kürzerer Zeit realisiert werden, die allerdings zum Aufbau von dreidimensionalen Gebilden Stützformen erfordern.
Der Technologietransfer ist auf KMU ausgerichtet. Dabei gilt das besondere Augenmerk den PUR-Verarbeitern, aber auch Rohstoffhersteller, Systemhäuser und Maschinenhersteller werden in die Vermarktung der Ergebnisse einbezogen.
Die Projektbearbeitung wurde durch den jährlich im KUZ tagenden Fachbeirat "Polyurethantechnik", dem Rohstoffhersteller, Systemhäuser, Maschinenhersteller und PUR-Verarbeiter angehören, beratend unterstützt. Als weitere transferunterstützende Maßnahmen wurden und werden die im KUZ kontinuierlich stattfindenden Seminare zur Polyurethan-Verarbeitung genutzt. Durch Publikationen in der Fachpresse bzw. im Newsletter des KUZ, Messepräsentationen und Vorträge im Rahmen des Fachbeirats Polyurethantechnik des KUZ sowie bei Veranstaltungen des FSK (Fachverband Schaumkunststoffe) sollen die erzielten Resultate einem breiten Fachpublikum präsentiert werden. Auch die Nutzung von Arbeitskreisen und Netzwerken sowie die Durchführung von speziellen Workshops zum Thema bietet eine Basis, das Potential des Rapid Prototyping mit PUR vorzustellen.
Das KUZ wird als FuE-Dienstleister die im Projekt gewonnenen wissenschaftlich-technischen Erkenntnisse für zukünftige sowie ähnlich gelagerte Arbeiten nutzen. Abgeleitete Leistungen sind:
Beratungsleistungen und Machbarkeitsstudien, Herstellung von Musterteilen, Schulungen und Workshops, Verfahrens-ptimierung, Materialanpassung, Materialprüfung, -erprobung, -optimierung und Recherchetätigkeit für Kunden, Anwender.