Vom Pulver zum Prüfstand

Was ist aber dran an den ¿jüngsten¿ Behauptungen, die direkt per Laser aus Pulver gesinterten Kunststoffteile ließen sich für alle Phasen des Produktlebenszyklus einsetzen? Und wenn dem so ist, braucht der Markt denn überhaupt schnelle und kostengünstige Kunststoffprodukte in kleinen Auflagen und allen möglichen Varianten? Die nachfolgenden Ausführungen gehen diesen Fragen nach und stellen die Serientauglichkeit lasergesinterter Bauteile unter Beweis. Der Weg geht dabei vom Ausgangsmaterial über den Prozess bis zum Einsatz in der Praxis.
Wenn man heute von lasergesinterten Funktionsprototypen spricht, so spricht man fast zu 100 Prozent von Polyamid. Und innerhalb des Polyamids entfällt wiederum der Löwenanteil auf Polyamid 12. Die von EOS vertriebenen Werkstoffe PA 2200 und PA 3200 GF (glasgefüllt) basieren auf Polyamid-12-Pulvern und wurden in Zusammenarbeit mit Degussa-Hüls entwickelt. Durch Kombination des dort vorhandenen Polymerwissens und den Verfahrenstechniken zur Pulverherstellung und Pulverkonfektionierung einerseits und des Prozess- und Anwendungs-Know-Hows zum Laser-Sintern von EOS andererseits konnten die Werkstoffe auf die Bedürfnisse der Laser-Sinter-Technologie maßgeschneidert werden.

Polyamid für Prototypen
PA 12 bietet im Vergleich zu PA 6 und 66 Eigenschaften, die für das Handling bedeutende Vorteile bringen. So weist PA 12 eine sehr geringe Affinität zu Wasser auf. Das vereinfacht die Lagerung des Pulvers vor der Verarbeitung. Außerdem müssen Bauteile aus PA 12 ¿ im Gegensatz zu anderen Polyamiden ¿ nicht konditioniert werden, um die beim späteren Einsatz erforderliche Funktionsfähigkeit zu erhalten. Wenn sich also eine Konditionierung, wie sie für Bauteile aus PA 6 oder 66 zwingend nötig ist, um die mechanischen Eigenschaften zu erzielen, vermeiden lässt, führt dies zu einer sehr guten Maßhaltigkeit.
Ferner ist die Auslegung der Anlagen für eine Verarbeitungstemperatur von 200 Grad Celsius (Schmelzpunkt von PA 12) erheblich einfacher und billiger als für Temperaturen von 250 Grad Celsius oder mehr, die für PA 6 notwendig wären. Die daraus resultierende niedrigere Temperaturdifferenz beim Abkühlen der Bauteile führt zusätzlich zu einer besseren Maßhaltigkeit.
Erwähnen muss man im Zusammenhang mit PA12 auch dessen hervorragende Chemikalienbeständigkeit, die einen Einsatz in nahezu allen Medien möglich macht, wie das nachfolgende Praxisbeispiel zeigt.
Im Auftrag eines Automobilherstellers sollte Dienstleister FKM Sintertechnik, Biedenkopf-Breidenstein, einen Prototypen für einen Benzintank in den Abmessungen 607 ´ 330 ´ 491 Millimetern herstellen. Der Auftraggeber wollte damit umfangreiche Funktionstests durchführen. Gleichzeitig sollten dabei die CAD-Daten überprüft und Erkenntnisse für das spätere Serienwerkzeug gewonnen werden. Da es sich bei dieser Anwendung um einen Behälter für ein aggressives Medium handelt, legte der Auftraggeber zusätzlich größten Wert auf die chemischen Eigenschaften des verwendeten Materials. Der komplette Benzintank entstand in einem Stück im Laser-Sintern direkt aus Polyamid und konnte bereits nach vier Tagen geliefert werden. Alternativ hätte der Weg über ein Laminierwerkzeug geführt, wobei der erste Funktionsprototyp frühestens nach zwei Wochen zur Verfügung gestanden hätte.

Langzeitstabilität
Die Langzeitstabilität von PA 12 unter ständigem Einsatz aggressiver Medien macht sich die Haushaltsgeräte-Industrie schon seit langem in der Serie zu Nutze. Die Körbe in Geschirrspülmaschinen beispielsweise erhalten durch Beschichtung mit PA 12 ihre gleichzeitig dekorative und funktionale Oberfläche. Die geforderte Funktionalität besteht zum einen im hervorragenden Korrosionsschutz, zum anderen in der abriebbeständigen und zugleich hochelastischen Oberfläche, die selbst durch das Verbiegen freistehender Stacheln in modernen Geschirrspülmaschinen-Körben nicht aufreißt. Zum anderen ist sie so glatt, dass empfindliches Porzellan beim Spülen nicht zerstört wird.
Diese im Wirbelsinterverfahren auf die Drahtkörbe aufgebrachten Schichten bestanden zunächst aus PVC, wurden aber schon vor vielen Jahren mehr und mehr durch Polyamid 11 und Polyamid 12 ersetzt. Besonders das Polyamid 12-Pulver wurde im Hinblick auf das Beschichtungsverfahren stark optimiert. Die Körbe haben heute trotz der aggressiven Medien Reiniger und Klarspüler, mit denen sie bei jedem Gebrauch in Kontakt kommen, die gleiche Lebensdauer wie die Innengehäuse aus Edelstahl.
Entscheidend für den Einsatz von Polyamid 12 ist jedoch nicht allein die Eignung für den Laser-Sinter-Prozess, sondern die Beschaffenheit der späteren Bauteile. Die mechanischen Eigenschaften von lasergesinterten Prototypen lassen sehr vielfältige Einsatzmöglichkeiten zu. So können Bauteile aus PA 2200 und PA 3200 GF nicht nur als Funktionsprototypen für spätere Polyamidteile, sondern auch für ABS- und Polypropylenteile eingesetzt werden. Der Einsatz der Bauteile in Vorserien und Kleinserien gewinnt zunehmend an Bedeutung. Einen Vergleich der wichtigsten mechanischen Eigenschaften zeigt die nachfolgende Tabelle.
Im letzen Jahr wurden die Bauteile aus PA 2200 als biokompatibel zertifiziert. Das bedeutet, dass die Bauteile bedenkenlos langfristigem Körperkontakt ausgesetzt werden dürfen. Die Qualifizierung und Zertifizierung der Werkstoffe führt zu einer ständigen Ausdehnung der Anwendungsfelder.
Der italienische Haushaltsgerätehersteller Antonio Merloni benötigte vier Prototypen für eine Waschmaschinenblende. Diese sollten für Designtests, Form-, Tauglichkeits- und Funktionstests eingesetzt werden sowie auf Ausstellungen vorgeführt werden. Merloni baute die vier Waschmaschinenblenden senkrecht ¿ die Breite der Blende mit 595 Millimetern passt exakt in den Bauraum der EOSINT P 360 Laser-Sinter-Anlage ¿ direkt aus Polyamid. Die Bauzeit für alle vier Waschmaschinenblenden betrug 37 Stunden. Die Waschmaschinenblenden zeichneten sich durch eine ausgezeichnete Oberflächenbeschaffenheit, gute Maßhaltigkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften aus.

Fazit

Die besonderen Eigenschaften des Werkstoffes, die durch den Einsatz im Laser-Sinterprozess noch verstärkt werden, machen PA 12 zum optimalen Ausgangsmaterial für den Einsatz lasergesinterter Bauteile in allen Phasen des Produktlebenszyklus ¿ von der zeitkritischen Entwicklung über die wirtschaftliche Kleinserienfertigung bis hin zur langfristigen und Platz sparenden Verfügbarkeit von Ersatzteilen.

Für den Feinund Vakuumguss

mit lasergesinterten Modellen gibt es einen neuen, vielseitig einsetzbaren Werkstoff für die Verarbeitung auf EOSINT P Systemen. Damit lassen sich in kürzester Zeit Vakuumgussmodelle wirtschaftlich fertigen. Modelle aus diesen Material überzeugen durch exzellente Maßhaltigkeit und Festigkeit. Die gesinterten Modelle bieten exzellente Oberflächen, die sich nach dem Infiltrieren mit Harz bis zur Spiegeloberfläche finishen lassen. Selbstverständlich eignet sich auch dieser Polystyrolwerkstoff für den Feinguss.

Zum Thema
Die Wahl der Werkstoffe entscheidet über die Leistungsfähigkeit moderner Rapid Prototyping-Anlagen. Möglichst seriennahe Eigenschaften sollen sie haben! Deshalb scheint das Laser-Sintern von Polyamid-Pulvern im Bereich der Kunststoffteile eine wachsende Bedeutung einzunehmen. Selbst einbaufertige Kleinserien lassen sich mit diesem Material inzwischen produzieren. Grund genug für Konstrukteure und Produktentwickler, der Entwicklung auf diesem Gebiet wachsendes Interesse zu schenken.
ms

Autoren:
Volker Junior
Produktmanager

Peter Keller
Werkstoffexperte

EOS, Planegg/München
Tel. 089/856850, Fax 85685285
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Links: http://www.eos-gmh.de