Geschäumter 3D-Druck: Auf die Zellstruktur kommt es an!

Während eines neuen 3D-Druck-Forschungsprojektes wird das Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg den Einsatz des Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF-Verfahren) zur Herstellung TPE-Schäumen mit einer geschlossenen Zellstruktur untersuchen.  Ziel ist es, das bereits im Spritzguss und der Extrusion etablierte Verfahren des Schäumens auf die Additive Fertigung zu übertragen. Hierbei soll bei individuell gestalteten Produkten mit variablen Dämpfungseigenschaften überprüft werden, in wie weit die Vorteile des Schäumens – darunter die Gewichtsreduktion und die Dämpfungseigenschaften – auch in der Additiven Fertigung genutzt werden können. Zusätzlich werden die mechanischen Kennwerte der additiv hergestellten Probekörper mit spritzgegossenen Integralschäumen verglichen.

Trotz der breiten Anwendungsmöglichkeiten von Additiven Fertigungsverfahren ist die Herstellung von gedruckten, flexiblen Schaumstrukturen bisher wenig erforscht. Geschäumte Kunststoffe besitzen ein einzigartiges Eigenschaftsprofil und sind damit unter anderem für Anwendungen in der Verpackungs-, Sport- und Automobilindustrie relevant.

Das Schäumen von Kunststoffen ist in der Industrie etabliert und geschieht beispielsweise durch Zugabe eines Treibmittels. Für die Verarbeitung von Materialien mit Additivzusätzen im 3D-Druck bietet sich insbesondere das AKF-Verfahren an. Zum Einem verarbeitet der Drucker Granulate, in die sich die Treibmittel leicht einarbeiten lassen. Zum anderen lässt sich der Austrag über das Verhältnis von Massedruck, Schneckenweg und Frequenz der piezogetakteten Nadelverschlussdüse regeln.  Jedoch gibt es bisher wenige Erkenntnisse über die Anforderungen an die Materialien sowie die Bauteil- und Prozessgestaltung für additiv gefertigte Schaumstrukturen. Die Projektergebnisse sowie die entwickelten Methoden sollen hier grundlegende Erkenntnisse zur Herstellung serientauglicher geschäumter Bauteile mit reproduzierbaren Eigenschaften und Qualität liefern.

Aufgrund der zellulären Struktur besitzen Schäume einzigartige Eigenschaften, die von der Polymermatrix, der Zellstruktur und dem Gasanteil bestimmt werden. Wichtige Kenngrößen sind deshalb vor allem die Dichte und die Zellgrößenverteilung. Da diese stark durch die einzelnen Prozessschritte bei der Herstellung des Schaums beeinflusst werden, ist es wichtig, die Zusammenhänge bei der Schaumbildung zu verstehen.

Erste Vorversuche mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) zeigten, dass durch die Verwendung von treibmittelbeladenen Schmelzen mit dem AKF eine maximale Gewichtsreduktion von etwa 37 % im Vergleich zum spritzgegossenen Vollmaterial und eine Gewichtsreduktion von 28 % im Vergleich zu ungeschäumten AKF-Probekörpern erreicht werden.

Die folgende Abbildung zeigt die CT-Aufnahme einer im AKF-Verfahren geschäumten ABS-Schicht innerhalb eines Bauteils. Eine gleichmäßige Verteilung der Poren ist erkennbar, was den Prozess deutlich von spritzgegossenen Schaumstrukturen abgrenzt. Diese zeichnen sich gewöhnlich durch eine kompakte Außenhaut mit zunehmender Porengröße im Bauteilinneren aus. Somit ist beim AKF-Verfahren eine Expansion über das gesamte Bauteil möglich und das Material liegt ebenmäßig zellulär vor.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden die Auswirkungen der gewählten Prozessparameter des AKF auf die Ausbildung der inneren Schaumstruktur der additiv gefertigten Bauteile grundlegend charakterisiert und analysiert. Die Forschungsergebnisse sollen die Anwendungsmöglichkeiten der additiven Fertigungsverfahren erweitern.

Das Forschungsprojekt mit dem Förderkennzeichen 21564N wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Projekt ist auf zwei Jahre ausgelegt.