3D-Druck neu definiert: Kunststoffbauteile präziser und schneller fertigen

Vor wenigen Jahren noch war der 3D-Druck ein Nischenprodukt. Heute ist er längst marktrelevant. Das Marktvolumen für 2024 wird auf 27,52 Milliarden US-Dollar geschätzt, bis 2032 wird eine jährliche Wachstumsrate von 23,6% prognostiziert. Doch trotz des rasanten Anstiegs gibt es Grenzen, beispielsweise bei der Produktionsgeschwindigkeit oder der Druckgenauigkeit. Das elektrophotografische 3D-Druckverfahren der TH Köln könnte diese Einschränkungen überwinden.

Im Interview mit dem K-Mag erklärt Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger, welche Vorteile dieses Verfahren hat und welche Branchen davon profitieren können.

Wie entstand die Idee für das Forschungsvorhaben, und was waren die wichtigsten Ziele des Projekts?

Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger: Unser Firmenpartner mz Toner hatte bereits Erfahrung im "flachen" Druck aus dem Bereich Keramikdekor. Um daraus dreidimensionale Objekte zu erhalten, wurde aber noch ein zusätzlicher Schritt benötigt, bei dem die zuvor gedruckten (Mehrfach-)Schichten gestapelt und miteinander verbunden werden. Dazu mussten Toner aus passenden Polymerwerkstoffen entwickelt werden. Das Verfahren hat großes Potenzial für die Anwendung, zum Beispiel für Ersatzteile im Weltraum bei fehlender oder niedriger Gravitation, da kein loses Pulver verwendet wird, die Partikelgrößen aber so sind, dass gute mechanische Eigenschaften erreicht werden können.

Können Sie den Druckprozess, der in Ihrem Verfahren verwendet wird, näher erläutern?

Katrakova-Krüger: Das neue elektrophotographische 3D-Druckverfahren funktioniert wie folgt: Zunächst wird analog zum Laserdruck ein elektrisches Ladungsbild selektiv auf einer geladenen Fototrommel erzeugt. An den Stellen des Ladungsbildes sammelt sich das Tonergemisch an, wodurch eine Schicht des Bildes entsteht. Die Polymerpartikel dieser Schicht werden anschließend von der Fototrommel auf das Transfermedium übertragen und vorfixiert. In einer separaten Maschine werden die einzelnen Schichten vom Transfermedium übereinandergelegt und fixiert, um das fertige dreidimensionale Bauteil zu erzeugen.

Welche besonderen Herausforderungen mussten bei der Entwicklung dieses neuartigen 3D-Druckverfahrens überwunden werden?

Katrakova-Krüger: Es waren im Wesentlichen drei Hürden, die es zu überwinden galt: Toner, Transfermedium und Stempelmaschine. Besonderer Fokus in der Entwicklung lag auf den Tonern, die ein komplexes Gemisch aus zu druckendem Material, bei uns Polymer, Trägermaterial und vielen anderen Zusätzen in der richtigen Menge und Morphologie darstellen. Anspruchsvoll ist auch die Einstellung der triboelektrischen Ladung. Die nächste Herausforderung war es, ein geeignetes Transfermedium zu finden. Dieses muss einerseits gute Haftung der gedruckten Schichten gewährleisten und gleichzeitig auch ein gutes Ablösen im Stempelprozess ermöglichen. Beim Stempeln gab es verschiedene Aspekte zu beachten, insbesondere aber Positionierungsgenauigkeit, Druckverteilung und Temperatur im Bauraum. Es mussten dann noch die optimalen Prozessfenster für die unterschiedlichen Polymere ermittelt werden.

Welche Materialeigenschaften und mechanischen Eigenschaften weisen die gedruckten Bauteile auf, und wie vergleichen sie sich mit Bauteilen aus anderen Fertigungsverfahren wie dem Schmelzschichtverfahren oder Spritzgussverfahren?

Katrakova-Krüger: Ein elektrophotografisch gedruckter Zugstab aus ABS weist eine Zugfestigkeit von circa 1900 MPa, ein E-Modul von circa 40 MPa und eine Bruchdehnung von gut 2 Prozent auf. Dies bedeutet, dass wir bei der Zugfestigkeit 25 Prozent über der von FDM (1627 MPa) und 20% unter der von Spritzguss (2300 MPa) liegen. Das E-Modul unserer Probe ist bei gleichem Werkstoff um 43% höher als bei FDM (22 MPa) und nur 12% niedriger als bei Spritzguss (44 MPa). Bei der Bruchdehnung liegen wir mit ähnlich wie FDM bei circa 3%, doch deutlich unter den Werten, die im Spritzguss erreicht werden (12%). Es wird jedoch kontinuierlich daran gearbeitet, die mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern.

Welche Vorteile bietet dieses Verfahren, zum Beispiel für die industrielle Anwendung, gegenüber anderen 3D-Druck-Verfahren?

Katrakova-Krüger: Dank der hohen Druckgeschwindigkeit der Elektrofotografie und des Zwei-Schritt-Verfahrens können hohe Produktionsraten erzielt werden. Die Verwendung kleiner Polymerpartikel ermöglicht eine hohe Druckauflösung. Es ist zudem möglich, verschiedene Materialien in einem Bauteil zu verarbeiten und mehrere Teile gleichzeitig zu produzieren. Da der Prozess nicht von der Schwerkraft abhängig ist, wäre auch eine Anwendung im Weltraum möglich.

Wie hoch ist der aktuelle Durchsatz des entwickelten 3D-Druck-Prototyps und welche Faktoren beeinflussen die Anzahl der herstellbaren Werkstücke?

Katrakova-Krüger: Die maximale Aufbaurate hängt von der 2D-Druckergröße und der Anzahl der Stempelmaschinen ab. Im 2D-Bereich sind derzeit Druckgeschwindigkeiten von bis zu 5 m² pro Minute möglich. Das Drucken mehrerer Schichten eines Bauteils oder das Drucken verschiedener Bauteile gleichzeitig ist möglich. Es können gleichzeitig bis zu 8 unterschiedliche Tonermaterialien pro Schicht gedruckt werden. Die Gesamtproduktionsgeschwindigkeit steigt, je mehr Transfereinheiten parallel arbeiten. Grundsätzlich ist das Verfahren in der Lage, in Bezug auf die Stückzahlen mit dem Spritzgießen zu konkurrieren.

Welche Rolle könnte diese Technologie in der Zukunft der additiven Fertigung spielen und welche Branchen könnten besonders profitieren?

Katrakova-Krüger: Das elektrophotografische 3D-Drucken stellt eine ernstzunehmende Konkurrenz zum Spritzgießen dar. Im Gegensatz zum klassischen Spritzguss erfordert dieser Prozess keine speziell angefertigten teuren Werkzeuge. Daher können mit demselben Maschinenaufbau verschiedene Bauteile ohne Umrüstung gefertigt werden. Dies führt zu Einsparungen bei Lager-, Herstellungs- und Umrüstungskosten und ermöglicht eine vollständige Automatisierung des Prozesses im Sinne von Industrie 4.0. Darüber hinaus wird das Verfahren derzeit auf weitere Materialien ausgeweitet, sodass elektrophotografisches 3D-Drucken langfristig auch für metallische und keramische Werkstoffe verfügbar sein sollte. Viele Anwendungsbereiche sind denkbar: in der Raumfahrt, die Auslöser für die Entwicklung war, aber auch in der Elektronik, für Solarzellen, Batterien, und warum nicht auch für Consumer Goods wie Haushaltselektrogeräte – Material- und Farbkombinationen wären keine Grenzen gesetzt.