Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
14.10.2014

Voxeljet: Laminieren von Faserverbundwerkstoffen mit wasserlöslichen 3D-Printing-Kernen

Faser-Verbundwerkstoffe sind gängige Materialien für Leichtbauanwendungen. Allerdings werden die Formen hierbei üblicherweise mit Fräsmaschinen ausgearbeitet und können daher nur ein begrenztes Maß an Komplexität aufweisen. In diesem Artikel wird eine Methode vorgestellt, bei der die Laminatstruktur auf einem im 3D-Druckverfahren erzeugten Kern aufgebaut wird.

In diesem Artikel wird die Verwendung im 3D-Druckverfahren hergestellter Kerne (siehe Bild) in Verbindung mit Faser-Verbundwerkstoffen beschrieben. Dank der raschen Herstellung des laminierten Körpers eignet sich diese Methode hervorragend für die Fertigung von Prototypen und Kleinserienteilen für den Leichtbau. Damit steht nun eine geschlossene Verfahrenskette für den Einsatz und für die Untersuchung der möglichen Anwendungsbereiche zur Verfügung. Der Grundstoff dieses Kerns ist umweltverträglich und leicht wasserlöslich. In einfachen Arbeitsschritten können auch komplexe Körper innerhalb einiger Tage gefertigt werden. Damit eignet sich die 3D-Drucktechnologie hervorragend für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien.

Die Fertigung leichtgewichtiger Strukturen aus Verbundwerkstoff geschieht in mehreren Schritten. Zunächst muss ein Werkzeug hergestellt werden, das die Form des Produkts definiert. Dieses Werkzeug kann entweder die Außenfläche oder die Innenfläche des Körpers darstellen. Je nach Komplexität des Teils muss das Werkzeug unter Umständen in Abschnitten gefertigt und anschließend zusammengesetzt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die einzelnen Abschnitte des Werkzeugs zu laminieren und die Teilformen in einem späteren Produktionsschritt zu der fertigen Form zu verkleben. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Werkzeugen, die sich in ihrer Funktionsweise unterscheiden: die einmal verwendbare, so genannte „verlorene Form“ und das für beliebig viele Produktionszyklen verwendbare Werkzeug.

Bei der Herstellung von Formkörpern wie Rohrnetzen lässt sich der Schalungsaufwand durch den Einsatz verlorener Kerne erheblich verringern. Diese Formen werden in Leichtbauanwendungen sehr häufig eingesetzt. Für die Kerne wird in der Regel gebundener Sand oder ein anderes formbares Material verwendet, das in ähnlicher Weise wie beim Spritzgussverfahren in Form geschossen wird. In bestimmten Fällen wird diese Form sodann zur Vorbereitung auf die nächsten Schritte mit einer Beschichtung versiegelt. Anschließend folgt ein Laminierungsverfahren.

Je nach der gewünschten Oberflächenqualität wird der Kern mit einem Gelcoat beschichtet. Nun können verschiedene Laminierungstechnologien verwendet werden. Hier gibt es zum einen das Prepreg-Verfahren, bei dem Glas- oder Karbonfasergewebe mit einem Polymer behandelt wird, das an der Fläche haftet und unter Wärmeeinwirkung zu einer hochfesten Schicht aushärtet. Bei den meisten verwendeten Materialien ist hierfür eine Temperatur von bis zu 180 ° C erforderlich. Beim Kaltlaminierungsverfahren hingegen entsteht ein weniger festes Material. Eine gängige Methode bei diesem Verfahren besteht darin, ein Polyesterharz aufzustreichen oder aufzusprühen, teilweise zu härten und das Fasermaterial mit einer Rolle auf das klebrige Polymer aufzutragen. Auf diese Weise lassen sich deutlich komplexere Teile herstellen als mit der Prepreg-Technologie.

In beiden Fällen muss der Kern mithilfe eines Werkzeugs hergestellt werden, weshalb diese Technologie für die Produktion kleinerer Serien nur bedingt geeignet ist. Zum einen nimmt die Fertigung des Produkts zu viel Zeit in Anspruch und zum anderen ist die Herstellung von Prototypen auf diese Weise wirtschaftlich nicht sinnvoll. Hier kann also ein Mangel an Konsistenz im Produktentwicklungsprozess festgestellt werden. Diese Lücke lässt sich durch Drucken der Kerne im 3D-Druckverfahren schließen. Anhand der Herstellung eines Motorradteils sollen die Möglichkeiten dieses Verfahrens im Folgenden Schritt für Schritt verdeutlicht werden.

voxeljet verwendet das pulvergestützte 3D-Druckverfahren. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine schrittweise Produktion des Teils direkt anhand der CAD-Daten aus. Hierbei werden die Daten zunächst einmal vorbereitet und in Bitmap-Schichtgrafiken umgerechnet, die vom Drucker verarbeitet werden können.

Im ersten Schritt wird in einer Baubox eine bestimmte Menge Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht und von der Austragsvorrichtung, die über das Baufeld geführt wird, zugleich nivelliert. Anschließend druckt ein Tintenstrahldruckkopf die erste Schicht der Bitmapgrafik mit einer Aktivierungsflüssigkeit auf das Pulver. Dadurch wird der Binder in der Pulverschicht aktiviert, der die Partikel verklebt. Für den Bau des Kernkörpers wird die Bauplattform nun um eine Schichtstärke abgesenkt und der Vorgang beginnt von vorne. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis das Teil im Pulver fertiggestellt ist.

Nach dem Druckvorgang kann das Teil aus dem Pulverbett entnommen und mit Druckluft oder Sandstrahl sorgfältig gereinigt werden. Zum Abschluss des Verfahrens wird es kurz in einem Konvektionsofen ausgehärtet.

Als Grundstoff für die Kerne wird das voxeljet AOB-Material verwendet. Diese Materialmischung besteht hauptsächlich aus Quarzsand. Außerdem enthält das Pulvermaterial einen Binder, der durch Aufbringen einer wasserbasierten Flüssigkeit mit dem Druckkopf aktiviert wird. Alle Bestandteile der Materialmischung können als umweltfreundlich betrachtet werden.
Die im 3D-Druckverfahren gefertigten Teile weisen eine gewisse Porosität auf. Die Poren müssen vor dem Laminieren aus Sicherheitsgründen geschlossen werden.

Dies geschieht in zwei Arbeitsschritten, um ein akzeptables Ergebnis zu gewährleisten. Der erste Schritt ist eine konventionelle Versiegelung mit einem Schlicker, wie er üblicherweise auch in der Gießereiindustrie verwendet wird. Als Material wird hierfür Zirkofluid 6672 von Hüttenes-Albertus eingesetzt. Dieser Schlicker enthält ein alkoholisches Dispersionsmittel und greift den gedruckten Kern daher nicht  an. Die Beschichtung erfolgt durch kurzzeitiges Eintauchen des Teils in ein Zirkofluidbad. Nach dem Eintauchen muss das Teil kontrolliert und von Materialüberschüssen und Tröpfchen befreit werden. Zum Abschluss des Schlickerbeschichtungsverfahrens werden die Teile bei 60-80 °C in einem Konvektionsofen getrocknet.

Der zweite Schritt ist eine Feinbeschichtung, mit der die Poren vollständig geschlossen werden. Dies lässt sich mit dem Produkt Aquaseal des schweizerischen Herstellers Aeroconsult erreichen. Aquaseal ist ein wasserbasierter Wirkstoff, der auf die Oberfläche gestrichen oder gesprüht werden kann. Ein Eintauchen wird nicht empfohlen, da sich das wasserlösliche Teil hierbei auflösen würde.

Anschließend wird das Teil bei 60-80 °C im Konvektionsofen getrocknet. Nach dem Durchtrocknen kann der Beschichtungsprozess mehrere Male wiederholt werden, um  die Oberfläche sicher zu versiegeln. Dank der bläulichen Farbanzeige des Aquaseal-Materials lässt sich die erzielte Qualität mühelos bestimmen.

Nun ist der vorbehandelte Kern bereit für das Aufbringen des Laminats. In diesem Fall kommt ein Polyestermaterial zum Einsatz, das durch ein Glasfasergewebe verstärkt wird.
Hierbei wird ein schnell härtendes Material mit einer offenen Zeit von etwa 5 Minuten verwendet, sodass sich dieser Schritt ohne wesentliche Behinderung des Arbeitsablaufs rasch wiederholen lässt. Die Mischung aus den beiden Materialkomponenten wird auf den Kern gestrichen. Wenn die Oberfläche aufgrund der Polymerisierung klebrig geworden ist, wird das Glasfasergewebe aufgebracht und mit dem Pinsel geglättet. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine Materialwandstärke von 1 mm erreicht ist.

Zum Entfernen des Kerns werden Löcher in das Polymermaterial der frisch laminierten Struktur gebohrt. Die Bohrlöcher werden an den Stellen platziert, an denen in einem späteren Arbeitsschritt die Metalleinsätze angebracht werden.

Der Kern wird in warmem Wasser aufgelöst. Um eine gute Auflösungsrate zu erreichen, werden die fertigen Teile in ein Wasserbad getaucht. Hierbei lässt sich das Auflösen beschleunigen, indem die Konvektion im Bad durch Bewegen des laminierten Kerns gefördert wird. Das Teil verbleibt für zwei Stunden in einem Bad von etwa 10 Litern.
Unter Umständen ist es notwendig, in den langen Kanälen des Laminatkörpers mit Schlauch und Spritze für die erforderliche Konvektion zu sorgen. Um das Gewicht des Bauteils zu optimieren, muss das gesamte Material sorgfältig entfernt werden.

Naturgemäß weist das Teil nach diesem Vorgang eine raue Oberfläche und verschiedene Unvollkommenheiten wie Lufteinschlüsse oder Faserrichtungsfehler auf. Daher wird empfohlen, die Oberfläche in einem weiteren Schritt aufzufüllen und glattzuschleifen. Anschließend kann das Teil lackiert werden.

www.voxeljet.com



3D-gedruckter Kern.


CAD-Modell der Motorradschwinge.


Laminieren des geprinteten Kerns.


Der gesamte Prozess vom 3D-gedruckten Kern (links) bis zum fertigen Teil.


Die fertige Hinterschwinge.