ADDITIVE FERTIGUNG

Werkzeug für eine Thermoformmaschine

Hoch hinaus mit dem SKZ

Im Rahmen ihres sechsmonatigen Pflichtpraktikums der Fortbildung zum staatlich geprüften MaschinenbauTechniker an der Franz-Oberthür-Schule in Würzburg haben Schülerinnen und Schüler ein Werkzeug für eine Thermoformmaschine erarbeitet.

Das Projekt wurde gemeinsam mit dem SKZ und der Firma Headmade Materials durchgeführt. Laut Richtlinien der Schule mussten Maschinenbauteile konstruiert, gefertigt und zu einem Komplettsystem montiert werden. Das Projekt hatte einen Umfang von 200 Stunden pro Person. Betreut wurde die Projektgruppe seitens der Materialentwicklung sowie Aus- und Weiterbildung der SKZ – KFE gGmbH durch Mathias Ruckdeschel und Dr.-Ing. Michael Bosse. Für ihr Projekt konnten die Schüler das 3D-Druck-Unternehmen Headmade Materials GmbH gewinnen. Als Projekt wurde am SKZ die Erstellung eines neuen Werkzeugs für den Thermoformprozess gewählt. Unter Anwendung eines formalen Projektmanagement-Prozesses wurde das Werkzeug konstruiert, durch Headmade Materials mithilfe deren neuem innovativen 3D-Druck-Verfahren Cold Metal Fusion (´Metal SLS´) gefertigt und anschliessend auf einer Thermoformmaschine installiert. Die Funktionsweise der Thermoformmaschine besteht darin, dünne Platten aus Kunststoff zu erwärmen und diese auf dem Werkzeug abzuformen. Die Anforderungen an das Werkzeug stellten sich als vielfältig heraus: Prozessbedingt mussten zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Grösse der Entlüftungsbohrungen und die Oberflächenrauheit. Ausserdem mussten bestimmte funktionelle Vorgaben erfüllt werden: festgelegte Messflächen an der Oberfläche, unterschiedliche Umformgrade und nicht zuletzt die Möglichkeit, die fertigen Produkte als Give away Besuchern mitzugeben. Daraus entstand die Form eines «Gebirges», das auf einem Sockel steht, das Logo des SKZ zeigt und die ganz praktische Zusatzfunktion einer Handyhalterung aufweist. Da die Werkzeugkonstruktion nicht

Die SchülerInnen der Franz-Oberthür-Schule haben ein Werkzeug für eine Thermoformmaschine erarbeitet (v.l.): Johannes Schmitt, Leonie Maier, Julius Feser, Dominic Hessdörfer und Rainer Emrich.

Eine Kleinserie von «Gebirgen» mit der Zusatzfunktion einer Smartphone-Halterung machte den Abschluss der Projektarbeit.

durch die verfügbaren Fräsverfahren hergestellt werden konnte, wurde sie über das 3D-Druckverfahren von Headmade Materials hergestellt. Mit der Hilfe von Christian Fischer (einer der Gründer von Headmade Materials) konnte das Projektteam noch den letzten Feinschliff an der Konstruktion vornehmen. Das Werkzeug wurde dann bei Headmade Materials aus dem widerstandsfähigen Titanwerkstoff Ti6Al4V 3D-gedruckt und anschliessend vom Projektteam mit Rahmen, Grundplatte und dem sogenannten Vorstrecker in der bestehenden Maschine installiert. Zum Projektabschluss konnte die Gruppe erfolgreich eine Kleinserie von «Gebirgen» abformen und an die beteiligten und interessierten Kolleginnen und Kollegen ausgeben. Das entstandene Werkzeug kann in laufenden Forschungsprojekten am SKZ sehr gut verwendet werden, da es auch die Abformung von Folien erlaubt, die mit 100 mm Breite zwar schmal, jedoch gerade für teure Materialien und Vorentwicklungen bestens geeignet sind.

Kontakt SKZ – Das Kunststoffzentrum Frankfurter Strasse 15-17 D-97082 Würzburg +49 931 4104-192 anmeldung@skz.de www.skz.de

Das Druckbett muss stimmen

Tuning für den 3D-Drucker

Der 3D-Druck revolutioniert gerade die Produktionswelt, nicht nur in der Industrie. Erlaubten die Drucker bis vor kurzem einen schnellen «Designüberblick», so können die heutigen Modelle schon komplizierte und voll funktionsfähige Objekte produzieren.

Dipl. Chem. Andreas Zeiff ¹

Selbst 3D-Drucker für Heimanwender können heute Kleinserien mit hoher Qualität fertigen. Viele preiswerte Druckermodelle sind bei den beweglichen Komponenten für die Düsenführung sehr präzise, haben jedoch bei der wichtigsten Komponente, dem Druckbett, noch deutliche Einschränkungen. Beim Druck ist es wie beim Hausbau: es kommt auf das Fundament an. Nur wenn die Grundlage stimmt, kann auch der Rest des Objektes optimal gefertigt werden. Als Druckbett für den 3D-Druck bietet einer der ersten Kunststoffe der Welt, das Pertinax, beste Voraussetzungen. Die Summe der Eigenschaften dieses Werkstoffes verbessert oft die für den Druck essentielle Haftung des gedruckten Modells auf der Grundplatte – selbst bei hochmodernen 3D-Druckern – und damit die Druckqualität deutlich.

Pertinax, ein bewährter Werkstoff

Welche Eigenschaften machen Pertinax nun für den 3D-Druck so interessant? Der gelbbraune Kunststoff ist bekannt als ein gerne genutzter Werkstoff für die Produktion von Leiterplatten oder robusten Isolierteilen gegen elektrische und thermische Leitung. Er besteht aus papierverstärktem Kunstharz, ist biegefest und zäh, relativ leicht, nimmt praktisch kein Wasser auf und ist in Form dünner Platten recht einfach zu bearbeiten. Seine geringe Wärmeleitfähigkeit zusammen mit der Temperaturbeständigkeit von bis zu 130 °C prädestinieren ihn für den Einsatz mit den gängigen, heiss gedruckten Kunststoffen wie ABS (Acrylni-

¹ Dipl. Chem. Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee Pertinax ist bekannt als ein gerne genutzter Werkstoff für die Produktion von Leiterplatten oder robusten Isolierteilen gegen elektrische und thermische Leitung .

tril-Butadien-Styrol-Copolymer), Nylon, Polymilchsäuren etc. Die Wärmebeständigkeit und geringe Wärmeleitung erlauben zudem eine gute Verbindung der flüssigen Kunststoffe mit der Oberfläche, etwa so wie man z.B. Keramikplatten im Bad für die bessere Haftung von Schmelzkleber vorwärmt, um die Erstarrung zu verzögern und damit die Oberflächenadhäsion zu verbessern.

In drei Schritten zum Druckertuning

Um den Drucker aufzurüsten wird als erstes das Druckbett vermessen und eine Pertinaxplatte mit etwas grösseren Abmessungen besorgt. Dabei muss auf eventuelle Nieten oder Befestigungsteile geachtet werden, die über das Druckbett selbst hinausreichen und das eigentliche Plattenmass bestimmen. Als Plattenstärke haben sich 0,5 bis 1 mm, in seltenen Fällen auch bis zu 5 mm bewährt. Zur Bearbeitung der dünnen Platten reicht ein scharfes Teppich- oder Cuttermesser sowie ein Lineal und Schleifpapier unterschiedlicher Körnung aus. Zunächst muss die alte Druckplatte vom Drucker entfernt und die tragende Oberfläche darunter gereinigt werden. Das Ablösen gelingt am besten mit einer dünnen stabilen Schnur z.B. Angelschnur oder feinstem Stahldraht auch bei komplizierteren Formen. Reste der alten Klebfolie werden mit Isopropanol rückstandsfrei entfernt, je nach Untergrund kann ein Ceranfeld-Schaber dabei helfen.

Auf die Haftung kommt es an

Die neue Platte lässt sich sehr einfach mit einem doppelseitigen Klebeband, z.B. 3M Transferklebeband 467MP, befestigen. Die Pertinaxplatte und die Transferfolie werden passend zugeschnitten und die Folie blasenfrei auf die Rückseite der Platte aufgeklebt. Je nach Druckbettgeometrie oder Zugänglichkeit wird nun die neue Platte direkt auf das Druckbett geklebt und danach die Oberfläche bearbeitet. Alternativ schleift man die Oberfläche zuerst auf die gewünschte Rauigkeit und klebt danach die Platte auf. Letzteres kann erhebliche Zeitvorteile bringen, wenn das Druckbett schlecht zugänglich ist. Bei beiden Verfahren ist es wichtig, eine möglichst exakt horizontale und bei jeder Körnung gleichmässige Oberfläche zu erzielen. Angefangen mit Körnung 80 arbeitet man sich bis etwa Körnung 400 voran, der Abrieb wird mit einem fusselfreien Tuch oder reinem

Um den Drucker aufzurüsten, wird das Druckbett vermessen und eine Pertinaxplatte benötigt.

Zellstoffpapier, eventuell mit Isopropanol (IPA) getränkt, entfernt. Wichtig ist, hier kein normales Kosmetiktuch zu verwenden, denn viele Tücher sind mit oberflächenaktiven Stoffen ausgerüstet, die die Oberflächenbeschaffenheit minimal verändern und so die spätere Haftung beeinflussen können. Bei eventuellen Haftungsproblemen sollte man daher zuerst versuchen mit anderen Tüchern nachzureinigen. Bereits aufgeklebte Platten werden mit Schleifpapier und Schleifklotz in kreisenden Bewegungen geglättet. Bei noch unbefestigten Platten dagegen wird das Schleifpapier auf eine grosse ebene Fläche wie eine Glasplatte aufgelegt und die Pertinaxplatte als Ganzes leicht kreisend mit wenig Druck darüber geführt. Für ein gutes Ergebnis muss der Schleifstaub regelmässig entfernt werden. Bei der Endkörnung kann man je nach Geometrie und Material des Objektes durch Ausprobieren die beste Lösung finden. che lösen lassen, bei einer grossen Grundfläche kann es sinnvoll sein, das Druckteil mit einem Tuch zu schützen und mit einer Zange leicht zu drehen, um es loszubrechen. Diese relativ einfache Aufrüstung des Druckbetts kann im Einzelfall zu drastisch verbesserten Druckergebnissen führen. Bei den meisten Anwendungen ergibt sich aber mindestens ein deutlich einfacheres Handling. Das gilt sowohl für Einzelstücke als auch für Kleinserien wie bei den momentan beliebten Grundgerüsten für Filtermasken. In allen Anwendungen ist bei richtig vorbereiteter Pertinax-Oberfläche keine Nachbearbeitung der Objekt-Grundfläche notwendig. Damit hat sich der altbewährte Werkstoff Pertinax auch in der zukunftsträchtigen 3D-Drucktechnik eine weitere Nische erschlossen und gezeigt, dass auch altbewährtes neue Massstäbe setzen kann.

Kontakt Dr. Dietrich Müller GmbH Zeppelinring 18 D-26197 Ahlhorn +49 4435 9710-210 info@mueller-ahlhorn.com www.mueller-ahlhorn.com

Nische für altbewährten Werkstoff

Ist die Platte «poliert» und aufgeklebt, wird sie auf dem Druckbett nivelliert und gegebenenfalls mit IPA von letzten Schleifpartikeln sowie Fettresten durch Fingerabdrücke gereinigt. Die Platte bzw. das Druckbett sollten dabei kalt sein. IPA verdampft schon bei Zimmertemperatur recht schnell, ein warmes Druckbett würde daher die Reinigungsleistung vermindern und brennbare Dämpfe erzeugen. Nun kann der erste Probedruck beginnen. Haftet dabei das Objekt nicht wie gewünscht, muss gegebenenfalls erneut leicht angeschliffen (mit der zuletzt verwendeten Körnung) und nachgereinigt werden. Idealerweise sollte das Druckobjekt sich nach dem Abkühlen leicht von der Oberflä-

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