Technologie 01.04.2015 3 Bewertung(en) Rating

Generative Massenfertigung

Dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden ist mit dem dreidimensionalen Siebdruck ein Durchbruch in der generativen Fertigung keramischer und metallischer Bauteile gelungen.

Die bisherige Nutzbarkeit additiver Verfahren beschränkte sich auf den Druck von Prototypenbauteilen und Kleinserien. Vor allem wenn es um die Verknüpfung von hohen Stückzahlen und Bauteilen mit feinsten Strukturen geht, kommt das konventionelle Additive Manufacturing (AM) an seine Grenzen.

Anders als bei strahlbasierten Verfahren wie dem SLM oder EBM werden die Bauteile beim 3D-Siebdruck auf einer Druckfläche simultan gefertigt, d. h. nicht einzeln etwa mit dem Laser ausgearbeitet. Dadurch können viele Bauteile gleichzeitig Schicht für Schicht gefertigt werden. Bei den im Bild links dargestellten Röhrchen konnten über 3.000 Stück in einem Druckprozess gleichzeitig erzeugt werden, sodass bereits auf der Laboranlage des Fraunhofer IFAM Dresden ein Jahresvolumen von 700.000 Teilen denkbar ist. In einer produktspezifischen Serienanlage ist ein Mehrfaches davon möglich.

 - 3D-Siebdruck ermöglicht Mikrostrukturen in hoher Stückzahl - Dargestellte Beispiele sind eine Mikro-Bipolarplatte, kleinste Röhrchen für elektrotechnische Anwendungen oder Schmuck
3D-Siebdruck ermöglicht Mikrostrukturen in hoher Stückzahl - Dargestellte Beispiele sind eine Mikro-Bipolarplatte, kleinste Röhrchen für elektrotechnische Anwendungen oder Schmuck
Fraunhofer IFAM/Enesty

Der 3D-Siebdruck macht sich dabei zunutze, dass er sich vom bereits etablierten konventionellen zweidimensionalen Siebdruck ableitet, der industriell vor allem in der Photovoltaik Anwendung findet. "Wir als Anlagenhersteller von Siebdruckfertigungslinien sehen in den Ergebnissen der Forschung und Entwicklung bei Fraunhofer zum Thema 3D-Siebdruck den Schritt zur kosteneffizienten Herstellung gedruckter metallischer sowie keramischer Bauteile vom Einzelteil bis zur Großserie," so Franz Plachy, Sales and Technologies Hybrid Systems bei der EKRA Automatisierungssysteme GmbH. "Für unser Unternehmen eröffnen sich dadurch perspektivisch neue Märkte."

Ein weiterer Vorteil des 3D-Siebdrucks ist die Generierung feinster Strukturen bis zu Wandstärken von minimal 60 µm wie es am Beispiel der Dresdner Frauenkirche im Bild oben deutlich wird. Aber auch die Kombination feinster Strukturen mit größeren Flächen ist problemlos machbar, wie anhand der Bipolarplatte gezeigt. Somit ist das Verfahren geeignet für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Präzision und Wirtschaftlichkeit.

 - Beispiel für einen über den 3D-Siebdruck hergestellten Mikrowärmeübertrager. Hier Darstellung einer Kühlstruktur aus 316L mit direkt überdruckten Kavitäten (li) und der gleichen Struktur mit Übersicht über die innenliegenden Kavitäten ohne Deckfläche aus Kupfer
Beispiel für einen über den 3D-Siebdruck hergestellten Mikrowärmeübertrager. Hier Darstellung einer Kühlstruktur aus 316L mit direkt überdruckten Kavitäten (li) und der gleichen Struktur mit Übersicht über die innenliegenden Kavitäten ohne Deckfläche aus Kupfer
Fraunhofer IFAM/Enesty

Ein möglicher Einsatzbereich umfasst beispielsweise die Herstellung von Mikrowärmeübertragern für Anwendungen mit kleinsten Bauräumen in der Elektrotechnik und Chip-Industrie sowie zur Kühlung von LEDs und Lasern (siehe Bild rechts). Ebenso denkbar sind konturgebende Formeinsätze für Mehrkavitätenwerkzeuge im Kunststoffspritzguss sowie im Metalldruckguss. Dabei wird ein weiterer Vorteil des Verfahrens, das Überdrucken von Strukturen ohne die Notwendigkeit von Stützstrukturen, deutlich. Damit ist es möglich, feinste geschlossene Kanäle zu integrieren, ohne überschüssiges Pulver im Anschluss an den Druckprozess entfernen zu müssen.

Das Bild rechts zeigt die gleiche Struktur sowohl mit (li, 316L) als auch ohne überdruckter Deckfläche (re, Kupfer). Aufgrund des ständig steigenden Kostendrucks ist die verarbeitende Branche immer auf der Suche nach Zykluszeitoptimierungen einhergehend mit Qualitätsverbesserungen. Die enesty GmbH liefert Sonderkühlungsverfahren mit Gaskühlung im Spritzgießbereich. Jonathan Franke, Geschäftsführer der Enesty GmbH: "Die Kombination aus siebdruckgefertigten Kühleinsätzen und Gaskühlungsverfahren bietet unseren Kunden die Möglichkeit Zykluszeiten zu senken und Bereiche im Werkzeug kostengünstig zu kühlen, die bisher aufgrund technologischer Grenzen nicht temperiert werden konnten. Wir sehen hier die Chance Technologieforschung in der Praxis zu implementieren. Dies kommt letztlich dem Fertigungsstandort Deutschland zu Gute und erhöht die Wettbewerbsfähigkeit der von uns betreuten Unternehmen."

Aufgrund der großen Vielfalt einsetzbarer Materialien von Kupfer über verschiedenste Edelstähle bis hin zu Hartmetallen oder Titan ergeben sich zahlreiche weitere Einsatzgebiete in der Elektrotechnik, im Maschinenbau, im Automotivebereich und der Medizintechnik. Schließlich lassen sich sogar Materialien gezielt kombinieren, sodass beispielsweise wärmeleitende und -isolierende Materialien in einem Bauteil kombiniert werden können.

"Wir haben die Technologie in den letzten Jahren so weiterentwickelt, dass wir bereit sind, mit potentiellen Anwendern das Verfahren in die Serienreife umzusetzen", betont Dr. Thomas Studnitzky, Gruppenleiter 3D Metal Printing am Fraunhofer IFAM Dresden. "Wir bieten interessierten Unternehmen an, sich in unserem Hause selbst ein Bild vom Stand der Entwicklungen zu machen." Interessenten können sich bereits auf der Hannover Messe, die vom 13. bis 17. April stattfindet, über den 3D-Siebdruck und dessen praktische Umsetzung informieren. In Halle 4 an Stand F24/2 der Enesty GmbH in Kooperation mit dem Fraunhofer IFAM Dresden werden potenzielle Kunden zur möglichen Umsetzbarkeit Ihrer Anwendungen kompetent beraten.

sl

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