Lackieren geht vor Polieren

Technische Beschichtungen im Additive Manufacturing

Additive Manufacturing (Additve Fertigung, AM) hat viele Vorteile: individuelle Fertigung, flexible Produktion und einfache Anpassung zum Beispiel. Viele Produkte haben jedoch eine hohe Oberflächenrauhigkeit und Porosität. Die Nachbehandlung der so gefertigten Teile ist zeitaufwändig und für Hersteller oft ein erheblicher Kostenfaktor. Technische Beschichtungen eröffnen dem AM-Markt neue Möglichkeiten, insbesondere in der industriellen Produktion.

In einem gemeinsamen Projekt haben Forscher der Belgischen NPO Sirris und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP Technische Beschichtungen im Additive Manufacturing (TCAM) untersucht.

Der Begriff Additive Manufacturing (AM) steht für eine Reihe verschiedener Technologien additiver Fertigung, bei der anhand eines 3D-Modells ein Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird. 3D-Druck ist oft die bekannteste dieser Technologien. Daneben spielen im AM-Markt auch selektives Lasersintern (SLS), Stereolithographie (SLA) oder Material Jetting (MJ) eine wichtige Rolle.

Ursprünglich kommt AM aus dem Bereich des Rapid Prototyping, weil Anpassungen schnell und flexibel möglich sind. Mittlerweile hat sich AM auch in der industriellen Produktion etabliert und ist eine der wichtigen Zukunftstechnologien mit nachhaltigem Einfluss auf den Fertigungsmarkt und darüber hinaus. Die Industrie kann von der Produktion »auf Knopfdruck«, die darüber hinaus flexibel anpassbar und in kleinen Stückzahlen möglich ist, profitieren. Vielfach stellen die Oberflächenrauhigkeit der Bauteile und die Porosität der Oberfläche allerdings eine Herausforderung dar.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher der belgischen NPO Sirris und des Fraunhofer IAP in einem gemeinsamen Projekt Technische Beschichtungen im Additive Manufacturing erforscht. Sirris ist spezialisiert auf die Erforschung von Lösungen für technologische Herausforderungen. Die NPO arbeitet in der Regel mit Universitäten, Forschungszentren, Verbänden und anderen Instituten zusammen. Am Fraunhofer IAP verfügen die Forscher über langjährige Erfahrung im Bereich Technischer Beschichtungen. Das Fraunhofer IAP bietet Forschungsleistungen rund um das Thema Polymere an.

»Mit dem Übergang von AM aus dem Rapid Prototyping in die industrielle Produktion wachsen heutzutage die Anforderungen an AM-gefertigte Bauteile. Es ist in der industriellen Fertigung essentiell, gleichbleibende Materialqualität zu garantieren. Bei einem Prototyp spielt dieser Aspekt eine untergeordnete Rolle. Zusätzlich wachsen die Anforderungen an die Oberflächenqualität«, sagt Dr. Andreas Holländer, Experte für Oberflächentechnologien am Fraunhofer IAP.

Technische Beschichtungen ermöglichen glatte und versiegelte Oberflächen mit spezifischen Eigenschaften

Mithilfe Technischer Beschichtungen konnten die Wissenschaftler beider Institutionen die Oberflächeneigenschaften AM-gefertigter Bauteile signifikant verbessern. Als die effektivste Methode der Oberflächenoptimierung erwies sich die Kombination von Lackieren und Polieren. Zusätzlich können die Bauteile durch die Verwendung spezieller Lacke oder anderer Oberflächenbehandlungen funktionalisiert werden. Im Projekt metallisierten die Wissenschaftler das Bauteil, um die Funktionalisierung zu verdeutlichen. Andere Funktionalisierungen sind beispielsweise erhöhte Kratzfestigkeit oder antibakterielle Eigenschaften.

Sirris stellte verschiedene Komponenten zur Verfügung, die mit SLS, SLA, MJ und FDM hergestellt wurden (Fused Deposition Modeling = 3D-Druck). Alle Methoden stellen unterschiedliche Anforderungen an die Oberflächenbehandlung.

»Mit unserer jahrelangen Erfahrung in der Oberflächenbehandlung können wir eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Wir haben jedes Teil im ersten Schritt analysiert, um die spezifischen Eigenschaften zu bestimmen. Danach konnten wir die jeweilige Oberfläche aktivieren, lackieren und mit der entsprechenden Methode metallisieren,« erklärt Dr. Holländer, der die Forschungsgruppe am Fraunhofer IAP leitet.

Patrick Cosemans von Sirris Flanders ergänzt: »Es hat zwei Nachteile, die fertigen Komponenten nur zu polieren: zum einen dauert es lange, zum anderen verändern wir die Form des Bauteils. Es kommt zu Abrieb, den wir aber vermeiden wollen. Mit dem Fraunhofer IAP wir haben Möglichkeiten entwickelt, um die aktuellen Probleme, insbesondere die poröse und raue Oberfläche, in der additiven Fertigung zu überwinden.«

Ist die Kombination von AM mit etablierten Technologien zukunftsfähig?

Konventionelle Fertigungsmethoden stoßen bei komplexen Bauteilen häufig an ihre Grenzen. Je komplexer das Bauteil konstruiert ist, desto schwieriger und teuer wird es bei konventioneller Fertigung. AM eröffnet hier neue Möglichkeiten. Bauteile unterschiedlicher Komplexität können schneller und kosteneffizienter hergestellt werden. Beispielsweise kann ein Bauteil, welches konventionell aus mehreren Einzelteilen besteht, in einem Schritt produziert werden.

»Es ist wichtig,« sagt Dr. Holländer, »dass die Oberfläche eines Bauteils an jeder Stelle genau die Qualität aufweist, die sie haben soll. Gerade bei komplex aufgebauten Teilen wird es häufig schwierig, jeden Bereich der Oberfläche zu erreichen. Wir konnten zeigen, dass wir mit der entsprechenden Oberflächenbehandlung das ganze Bauteil vollständig funktionalisieren können. Die Anwendung etablierter Technologien der Technischen Beschichtung eröffnet neue Möglichkeiten für den AM-Markt. In Zukunft wird die entsprechende Oberflächenbehandlung in den AM-Fertigungsprozess integriert werden.«

Die Kombination von AM mit etablierten Technologien verspricht also eine bessere Wertschöpfung und mehr Anwendungspotential als AM allein.

Foto: Komplexe AM-gefertigte Bauteile trocknen nach ihrer Metallisierung. © Fraunhofer IAP