Eines der bekanntesten 3D-Druck-Verfahren von Kunststoffbauteilen arbeitet photolithographisch. Die Belichtung bewirkt das schichtweise Aushärten flüssiger Harze. Dieses additive Verfahren besitzt jedoch einen erheblichen Nachteil: Es benötigt Stützstrukturen (supports), die der Anwender in der Konstruktion einplanen, im Prozess zusätzlich bauen und anschließend am Produkt umständlich entfernen muss.
Bauteil entsteht mitten im Harzbad
Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten ZIM-Projektes (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen gemeinsam mit der Rapid Shape GmbH aus Heimsheim eine effiziente Alternative zu diesem Verfahren. Nach wie vor kommt ein flüssiges Harz zum Einsatz, das Schicht für Schicht auf ein Harzreservoir aufgetragen wird. Eine Belichtungseinheit mit LED, wie bereits aus Systemen der Rapid Shape GmbH bekannt, belichtet das flüssige Harz in der Schichtgeometrie des Bauteils. Wie bei einem Beamer werde ein Bild in das Harzbad projiziert, und an den belichteten Stellen härte das Polymer aus. „An den anderen Stellen bleibt das Harz zunächst flüssig“, erklären Holger Leonards und Andreas Hoffmann, die projektleitenden Mitarbeiter des Fraunhofer ILT.
Bauteile sind nicht an Bauplattform gebunden
Bisher wurden Stützstrukturen gebraucht, weil die oft filigranen Kunststoffbauwerke sonst in sich zusammenfallen würden. Das in Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie entstandene Verfahren kommt nun nicht nur ohne Stützen aus, sondern ermöglicht darüber hinaus eine Positionierung der Bauteile ohne Anbindung an die Bauplattform. „Wir können 3D-Komponenten direkt im Bauraum an beliebigen Stellen aufbauen“, erklärt Holger Leonards. „Die Bauteile müssen nicht mehr auf der Bauplattform stehen. Wegen der effizienteren Nutzung des gesamten Bauraums lassen sich deutlich mehr Teile pro 3D-Druckjob herstellen.“
Stützmaterial schmilzt einfach weg
Die Aachener Wissenschaftler und ihre Industriepartner setzen dabei auf Hybridtechnik: Sie verfestigen das flüssige Monomer chemisch per Licht und thermisch per Kälte. „Das Material wird in warmen Zustand aufgetragen und dann per Licht irreversibel ausgehärtet“, sagt Leonards. „Gleichzeitig sorgt der gekühlte Bauraum dafür, dass das schichtweise entstehende Duroplast-Bauteil mit dem zum wachsartig erstarrten Harz zu einem Block festfriert.“ Der Anwender kann diesen anschließend bei Raumtemperatur verflüssigen, sodass das stützende Material abfließt: Übrig bleiben die 3D-gedruckten Bauteile, die nur noch kurz gereinigt und nachgehärtet werden. Auch diese Schritte sollen künftig automatisiert in einer Prozesskette ablaufen können.
Erster Prototyp startet in Richtung Serienreife
Wegen des Einsatzes von zwei Härteverfahren nennt sich das im noch Entwicklungsstadium befindliche Verfahren „Two Cure“. Der erste Prototyp ist bereits aufgebaut und soll demnächst bis zur Serienreife weiterentwickelt werden. Erste „Two-Cure“-Bauteile und Informationen zum Verfahren präsentieren die Wissenschaftler vom 14. bis zum 17. November 2017 auf der Formnext in Frankfurt am Main auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 3.0, an Stand F50.
