Ein möglicher Ersatz für pulverbasierte Technologien liefert die Fused Filament Fabrication (FFF). Dabei ist ein entscheidender Vorteil der FFF 3D-Drucktechnologie die Eigenschaft lediglich die Menge an Material zu verwenden, welche letztlich für die Herstellung des Bauteils benötigt wird. Zudem sind die Materialien des FFF 3D-Drucks (typischerweise Thermoplaste) günstiger als jede anderen der 3D-Druck Varianten. Thermoplaste können mit einer Reihe verschiedener Materialien versehen werden, dabei werden sie einfach mit diesen in einer Compoundierung gefüllt. Metalle, Keramiken, Holz, Carbon, Glass, sowie nicht-schmelzbare polymere wurden bereits benutzt um Polymer-Komposite herzustellen.

Metall Polymermatritzen können inzwischen mit Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Dabei muss im ersten Schritt das granulare Rohmaterial in Teile spritzgegossen werden (sog. Grünkörper) um dann weiter bearbeitet zu werden um die volle Festigkeit des metallischen Anteils zu erreichen. Diese Nachbearbeitung besteht typischerweise aus einem Entbindungs-Prozess (katalytisch oder nur durch Verwendung von Hitze um den polymeren Binder vom Metall zu trennen) und einem thermischen Sinterprozess in welchem der vorliegende Braunkörper zu einem porenfreien, festen Teil verdichtet wird.

Dieser Verarbeitungsansatz, technisch auch “Metall Spritzguss” (MIM), ist ein etablierter Fertigungsprozess. Er verbindet die Vorteile der Massenherstellung und Rapid Manufacturing, welche typisch sind für Spritzguss, und ist dabei sicherer verglichen mit Metallguss oder dem Schmieden.

Apiums 3D-Drucktechnologie verarbeitet nun auch Metalle

Diese Vorteile in der Herstellung können noch verbessert werden, wenn die FFF 3D-Drucktechnologie verwendet wird, da hier Teile mit verhältnismäßig komplexen Geometrien zu geringeren Kosten gefertigt werden können. Die Apium Additive Technologies GmbH hat in diesem Zuge das neu entwickelte Filament Ultrafuse 316LX der BASF getestet. Dieses Material besteht aus einem polymeren Binder-Anteil mit einem ca. 80 Gew.-% rostfreien Stahl 316L Partikeln. Die FFF 3D gedruckten Grünkörper wurden in einer Nachbearbeitung zuerst durch einen katalytischen Säure Entbindungsprozess behandelt und anschließend in einem Ofen gesintert.

Folgende Punkte haben wir durch die Verarbeitung des 316LX Materials gelernt:

• Durch Apiums FFF 3D-Drucktechnologie kann es einfach verarbeitet werden
• Die mit Apiums Druckern gedruckte Grünkörper haben strukturelle Eigenschaften welche die Überlebenschancen während des Entbindungs- und Sinterprozesses erhöhen
• Die gesinterten Teile treffen die Anforderungen an die Geometrie
• Die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Teile sind vergleichbar mit gehärtetem 316L rostfreiem Stahl
• Die Porosität der gesinterten Teile liegt im Allgemeinen bei unter 2%

Die Möglichkeit metallische Teile unter Verwendung von Apiums 3D-Drucktechnologie herzustellen, hat weitreichende wirtschaftliche Auswirkungen auf die Fertigung. Sie eröffnet kleinen und mittelständischen Unternehmen die Chance Prototypen und funktionelle Teile in Kleinserien zu sehr wettbewerbsfähigen Kosten zu fertigen. Apium arbeitet bereits an einem System welches den Entbindungs- und Sinterprozess in die 3D-Drucklösung integriert.

Ein, prominentes Verfahren, in Bezug auf seine Technologie, ist die Fused Filament Fabrication (FFF) Technologie. Prominent deswegen, da die Funktionsweise der allgemeinen Vorstellung von 3D-Druck sehr nahekommt. Das generative Verfahren schmilzt dabei einen Kunststoff, welcher als Filament vorliegt, und trägt diesen durch gezielte gesteuerte Bewegungen der Druckdüse in verschiedenen Schichten auf der Bauplattform auf, um so ein Bauteil zu erzeugen. Das ursprünglich für private Anwender konzipierte Verfahren wurde durch die Druckbarmachung von Hochleistungspolymeren, wie sie in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, zu einem Fertigungsverfahren für die Industrie weiterentwickelt. Ein Vorreiter auf diesem Gebiet ist die Apium Additive Technologies GmbH, welche als erstes Unternehmen den Hochleistungskunststoff PEEK (Polyetheretherketon) als Filament entwickelt und mit einem selbst hergestellten 3D-Drucker verarbeitet hat.

Aufgrund der Präsenz der konventionellen Fertigungsverfahren CNC-Fräsen und Spritzguss, sollte mit diesen Verfahren der Vergleich gezogen werden, um die Besonderheiten des Fused Filament Fabrication Verfahrens zu identifizieren. Um Anwendungsgebiete für die 3D-Druck-Technologie zu bestimmen, ist dabei ein Vergleich verschiedener Eigenschaften, die für die Fertigung von Teilen relevant sind, notwendig. Entscheidende Eigenschaften sind hier neben der Qualität der Teile vor allem auch die Herstellungszeiten, Möglichkeiten zur Realisierung verschiedenster Geometrien, Handhabung und Kosten für Anschaffung, Material und Wartung.

Ohne Zweifel liefert der Spritzguss die schnellsten Herstellungszeiten, bezogen auf Stückzahl pro Minute. Allerdings darf hier die Zeit für die Vorbereitung, bzw. das Designen, und die Herstellung der Gussform nicht außer Acht gelassen werden. Im Vergleich dazu liegt die reine Herstellungszeit für ein 3D-gedrucktes Teil zwar ungleich höher, die Herstellung bedarf allerdings keiner Vorbereitungszeit, da lediglich die Datei des Bauteils eingelesen werden muss. Zeiten wie das Aufheizen der Druckdüse oder des Druckbetts können vernachlässigt werden. Hier spielt der 3D-Druck auch eine seiner Stärken aus. Für kleine Stückzahlen oder individuelle Teile ist er deutlich wirtschaftlicher als das Spritzgussverfahren, welches sich aufgrund der teuren Gussformen erst ab größeren Mengen rechnet.

Ein Vergleich in Bezug auf Realisierung verschiedener Geometrien fällt ebenfalls zugunsten des Fused Filament Fabrications aus. Auch wenn, bspw. mit CNC-Fräsen, sehr viel möglich ist. Allein durch die Notwendigkeit, dass das Bauteil öfter umgespannt werden muss um die entsprechende Geometrie zu erhalten lässt den 3D-Druck vorteilhafter dastehen. Hohlräume lassen sich zudem nur mit 3D-Druck realisieren. Außerdem spielt hier auch das Thema der Kosten eine wichtige Rolle. Eine zerspanende Fertigungsmethode wird im Vergleich zur additiven Fertigungstechnologie immer deutlich höhere Materialkosten aufweisen. Ein Beispiel liefert der Leichtbauwinkel aus Abbildung 1.

Hergestellt mit einem 3D-Drucker wird lediglich das Material eingesetzt, welches im Bauteil benötigt wird, eine CNC-Fräse allerdings bearbeitet ein Halbzeug mit den Maßen des gezeigten Winkels und fräst die Form anschließend heraus. Dadurch entstehen zum einen höhere Materialkosten für die Anschaffung des Halbzeuges, aber auch für das Recyceln oder gar Entsorgen der Späne. Der 3D-Druck ermöglicht es in diesem Fall ein Bauteil nicht nur günstiger, sondern auch leistungsstärker herzustellen, da mit diesem Design Gewicht gespart werden kann, bei gleichbleibender Belastbarkeit. Generell lassen sich mit der Fused Filament Fabrication Technologie Kosten einsparen, da sowohl Anschaffung eines FFF 3D-Druckers als auch Wartung, gemessen am Industrieumfeld, deutlich geringer ausfallen als bei anderen Fertigungsverfahren.

Lediglich bei der Qualität der gefertigten Teile müssen bislang Abstriche in Kauf genommen werden. Diese beziehen sich allerdings nicht auf Eigenschaften wie Zugfestigkeit, diese liegt auf Spritzgussniveau, dem industriellen Maßstab für diese Werte. Bezogen auf die Oberflächenqualität unterliegt die additive Fertigung den beiden konventionellen Methoden Spritzguss und CNC-Fräsen jedoch noch. Allerdings besteht die Möglichkeit die 3D-gedruckten Teile nachzubearbeiten um die geforderte Oberflächenqualität zu erzielen.

Pluspunkte kann das generative Verfahren FFF im Bereich der Handhabung sammeln. Es lässt sich so einfach wie kein anderes Fertigungsverfahren bedienen, da, mit entsprechenden Parametersets für die Materialien und der Bauteildatei, der Druck direkt gestartet werden kann. Dennoch wird auch hier eine gewisse Einarbeitungszeit benötigt um die Bauteile mit der optimalen Qualität zu fertigen. Verglichen mit der Einarbeitungszeit für eine CNC-Fräse oder Spritzgussmaschine fällt diese aber sehr gering aus. Allerdings wird ein Umdenken in Bezug auf das Designen der Teile benötigt, da mit generativen Verfahren organische Strukturen deutlich einfacher und besser zu fertigen sind als solche mit Ecken und Kanten.

Verglichen mit den konventionellen Verfahren besitzen additive Technologien zwar keine Position, in welcher sie die klassischen Verfahren auf Dauer komplett ablösen können, allerdings werden sich für einzelne Anwendungsgebiete wie Prototyping oder individuelle Kleinserien mit neuen Geometrien additive Verfahren herauskristallisieren. Zusätzlich lassen sich 3D-Druck-Technologien auch in den Produktionsprozess konventioneller Methoden einbinden. Bspw. zur Fertigung von Halbzeugen für das CNC-Fräsen, oder zur Herstellung von Gussformen für den Spritzguss, um das Design auf Fehler zu testen oder für die Kleinserienproduktion einzusetzen.

Aufgrund der herausragenden Eigenschaften haben diese Materialien einen entsprechenden Preis, den es bei Betrachtung als Alternative für metallische Werkstoffe einzubeziehen gilt. Dabei sollte abgewogen werden, ob sich die gesteigerte Leistung bzw. die Kosteneinsparung durch geringere Wartungskosten mit einem höheren Materialpreis rechnet. Es ist ratsam auch entsprechende innovative Fertigungsmethoden mit zu betrachten, die thermoplastische Polymere verarbeiten können und dabei effektiver arbeiten als klassische Fertigungsverfahren. Die Rede ist hier von Additive Manufacturing (AM). AM, auch generative Fertigung oder 3D-Druck genannt, bezeichnet Verfahren, welche ein Bauteil durch Auftragen bzw. Hinzufügen von Material herstellen. Dem gegenüber stehen die sonst klassischen, abtragenden Verfahren, bei welchen Material von einem Halbzeug entfernt wird. Die klassischen Verfahren haben demnach deutlich höhere Materialkosten für dasselbe Bauteil. Eines der 3D-Druck-Verfahren, welches äußerst materialsparend arbeitet, ist das Fused Filament Fabrication (FFF). Bei diesem wird der Werkstoff als eine Art Kunststoffstrang, dem Filament, durch eine Düse geschmolzen und so in verschiedenen Schichten zum Bauteil durch Auftragen auf der Bauplattform aufgebaut. Dieses Verfahren ermöglicht, neben der materialsparenden Arbeitsweise, zudem neue, komplexere Geometrien im Vergleich zu abtragenden Verfahren. So sind bspw. Bauteile mit Überhängen oder solche in Leichtbauweise mit Hilfe von Wabenstrukturen deutlich einfacher zu realisieren. Ein Beispiel zeigt Abbildung 1.

Die reinen Materialkosten des hier verwendeten PEEK belaufen sich, bei einer Abmessung von 10 x 45 x 115 mm und 100% Infillrate, auf 12,90 €. Im Vergleich dazu kostet eine Platte aus PEEK mit den gleichen Maßen ca. 15,30 €, 18% höhere Materialkosten pro hergestelltem Teil. Zudem gilt hier zu bedenken, dass die gezeigte Wabenstruktur mit abtragenden Verfahren kaum bis nicht möglich herzustellen ist und die laufenden Kosten, wie Verschleiß der Werkzeuge und Instandhaltung, höher als bei einem FFF basierten 3D-Drucker sind, welcher als einziges Werkzeug die Schmelzdüse verwendet. Gerade bei einem sehr beständigen und schwer zu bearbeitendem Werkstoff wie PEEK müssen die Werkzeuge, bspw. Fräsköpfe, entsprechend oft getauscht werden. Einzig die aktuell langen Herstellungszeiten mit dem Fused Filament Fabrication Verfahren verhindern einen serienreifen Einsatz von 3D-Druckern in der Fertigung. Dem Einsatz zu Spezialanfertigungen, Prototypen oder im Bereich der F&E steht allerdings nichts im Weg. Zumal abtragende Verfahren, je nach Geometrie des Bauteils, Verfügbarkeit des Halbzeuges und speziell angefertigten Einspannvorrichtungen auch lange Fertigungszeiten in Anspruch nehmen können. Hier spielt wiederum der 3D-Druck seine Stärken aus, der Herstellungsprozess kann sofort begonnen werden, sobald das Bauteil designt wurde, es werden keine zeitraubenden Vorbereitungsschritte benötigt.