– Neue Aufgaben für die Oberflächentechnik
Von Andreas Dietz, Fraunhofer IST, Braunschweig
Die Additive Fertigung als Produktionsverfahren für die Herstellung von Bauteilen und Komponenten nimmt heute, und mehr noch in der Zukunft, eine bedeutende Rolle ein. Das Design hochkomplexer Geometrien gepaart mit den unterschiedlichsten Materialien wie Metallen, Keramiken oder Kunststoffen eröffnen eine Vielfalt, die mit den traditionellen Herstellungsverfahren wie Drehen oder Fräsen nicht möglich sind. Eine Schwachstelle der Additiven Fertigung ist noch die Oberfläche, die je nach Fertigungsverfahren sehr unterschiedlich sein kann. Das kann zu Problemen im Einsatz der Bauteile führen und erfordert eventuell eine Oberflächenbehandlung. Der Artikel zeigt erste Versuche bei der Beschichtung von additiv gefertigten Bauteilen aus Polymeren auf, die in der Raumfahrt eingesetzt werden sollen.
1 Einführung
Nach der Terminologienorm gemäß DIN handelt es sich bei der Additiven Fertigung um einen Prozess, der durch Verbinden von Material Bauteile aus 3-D-Modelldaten, im Gegensatz zu subtraktiven und umformenden Fertigungsmethoden, üblicherweise Schicht für Schicht, herstellt. Bei der Additiven Fertigung, oder kurz AM (additive Manufacturing), handelt es sich also um ein Verfahren, bei dem Material schichtweise aufgetragen wird, um ein Bauteil zu fertigen. Das stellt den großen Unterschied zu subtraktiven Fertigungsverfahren wie Drehen oder Fräsen dar, bei denen Material von einem größeren Block abgetragen wird, um das Bauteil zu formen.
Für den AM-Prozess können direkt die CAD-Daten verwendet werden. Das ermöglicht eine schnelle, kostengünstige Fertigung ohne Werkzeuge und vor allem eine hohe Flexibilität beim Herstellungsprozess, so dass auch Veränderungen am Produkt zeitnah umgesetzt werden können.
Während früher überwiegend Einzelteile auf diese Art hergestellt wurden, ist die Technologie heute bereits für Kleinserien einsetzbar. Die Großserienfertigung zum Beispiel in der Automobilindustrie ist absehbar. Vorreiter für die AM-Verfahren sind die Luftfahrtindustrie sowie die Medizintechnik. Die Tatsache, dass die additive Fertigung ein stark digitalisierter und vernetzter Prozess ist, macht sie zu einem wichtigen Bestandteil von Industrie 4.0.
Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen AM-Verfahren und Varianten. Die wichtigsten AM-Verfahren sind:
- Fused Deposition Modeling FDM
Das FDM-Verfahren (auch FFF-Verfahren genannt) arbeitet überwiegend mit flüssigen Polymeren. Das Polymer wird dabei als festes Filament zugeführt und in einem Extruder aufgeschmolzen. Über eine Düse wird das Polymer auf eine Trägerplatte gespritzt und bildet so Schicht für Schicht das Bauteil. Je nach Ausführung kann sich entweder die Düse oder die Trägerplatte bewegen. - Selective Laser Sintering (Melting) SLS/SLM
Das SLS-Verfahren arbeitet mit Pulvern aus Metallen, Kunststoffen oder Keramiken. Dabei wird das Pulver in einer dünnen Lage aufgerakelt und mit einem Laser mit den benachbarten Pulverkörnern versintert oder verschmolzen. Danach wird eine weitere Pulverschicht aufgerakelt. Das SLM-Verfahren ist sehr ähnlich. - Stereolithographieverfahren STL/SLA
Beim SLA-Verfahren wird ein flüssiger, lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer) mit einem Laser an der Oberfläche der Flüssigkeit selektiv ausgehärtet. Danach wird das Werkstück abgesenkt, bis es vollständig mit neuer Flüssigkeit bedeckt ist und der Prozess des Aushärtens beginnt von vorn. So wird schichtweise das Werkstück erstellt. Das SLA-Verfahren ist das älteste 3D-Verfahren und wurde 1984 zum Patent angemeldet.
Einen Überblick über AM-Verfahren geben K. V. Wong und A. Hernandez [2] sowie W. E. Frazier [3].
Da bei AM-gefertigten Teilen Material aufgetragen (additiv), jedoch bei traditionell gefertigten Teilen Material abgetragen (subtraktiv) wird, haben Designer von AM-Bauteilen sehr viel mehr Freiheiten als bei herkömmlich gefertigten Teilen. Gedrehte oder gefräste Komponenten müssen so konstruiert sein, dass das entsprechende Werkzeug das Material auch abtragen kann. Hinterschneidungen oder sehr spitze Winkel sind mit diesen Methoden nur sehr schwer herzustellen. Die Folge ist ein stark vereinfachtes Design oder ein mehrteiliges, zusammengesetztes Bauteil, wie es zum Beispiel bei komplex geformten Formwerkzeugen üblich ist. Additiv gefertigte Bauteile lassen sich hingegen sehr komplex konstruieren und in einem Stück herstellen. Abbildung 1 zeigt eine Designstudie eines herkömmlich gefertigten Bauteils und eines additiv gefertigten Bauteils. Bei gleicher Funktion ist der Unterschied offensichtlich: AM-Bauteile benötigen in der Regel weniger Material und sind somit leichter und kostengünstiger.
Abb. 1: Designstudie aus PEEK; links subtraktiv hergestellt, rechts additiv hergestellt (Bauteile: Fa. Rauch CNC Manufaktur, © Fraunhofer IST)
2 Die Oberfläche additiv gefertigter Teile
Abhängig vom Beschichtungsverfahren ist die Oberfläche der Bauteile äußerst unterschiedlich. Komponenten, die mittels FDM-Verfahren hergestellt werden, haben auf mikroskopischer Skala eine sehr glatte Oberfläche, da das Filament kurzzeitig zu einer viskosen Flüssigkeit aufgeschmolzen wird und dann erstarrt. Allerdings erzeugen die runden Filamente den sogenannten Stair-Case-Effekt, das heißt sie liegen übereinander wie gestapelte Rohre. Abbildung 2 zeigt drei Bauteile mit unterschiedlich filigranen Strukturen.
Abb. 2: Stair-Case-Effekt eines Polymerbauteils, hergestellt mittels FDM-Verfahren (© Fraunhofer IST)
Bauteile, die mittels SLS-Verfahren hergestellt werden, zeigen eine sehr raue, aber gleichmäßige Oberfläche, da die Pulverkörner, die miteinander versintert werden, ihre Form nicht verlieren. Die Rauheit hängt somit auch von dem durchschnittlichen Pulverdurchmesser ab.
2.1 Oberflächenbehandlung und Beschichtungsverfahren
Grundsätzlich kann eine Oberflächenbehandlung oder eine Beschichtung auf Bauteilen sinnvoll sein, wenn die geforderten Eigenschaften nicht durch das Material des Bauteils erfüllt werden. Das können zum Beispiel elektrische oder thermische Leitfähigkeit sein, tribologische Funktionen wie Verschleißfestigkeit, geringe Reibkoeffizienten oder Korrosionsschutz. Darüber hinaus weisen additiv gefertigte Bauteile, egal nach welchem Verfahren sie hergestellt wurden, noch häufig Fehlstellen wie Poren oder Grate auf. Einfache Oberflächenbehandlungen sind zum Beispiel mechanisches Schleifen, Gleitschleifen oder Fräsen. Allerdings ist es bei komplexen Strukturen nicht immer möglich, die Oberfläche komplett zu bearbeiten, da das Werkzeug oder das Schleifmittel nicht alle Bereiche einer Oberfläche in ausreichendem Maße erreicht. Vorteilhafter sind in diesem Fall Tauchverfahren mit flüssigen Reagenzien, mit denen sich zum Beispiel die Oberfläche einebnen lässt.
Gängige Beschichtungsverfahren sind Lackierverfahren zum Aufbringen von organischen Schichten und galvanische Verfahren zum Aufbringen von Metall- oder Konversionsschichten. Daneben gibt es noch Verfahren des thermischen Spritzens, mit denen meist dickere metallische oder keramische Schichten aufgebracht werden sowie vakuumbasierte Prozesse, mit denen in der Regel sehr dünne Schichten im Nano- und Mikrometerbereich abgeschieden werden. Mit ihnen werden oft optische sowie Verschleißschutz- und reibarme Schichten. Abbildung 3 zeigt ein Zahnrad aus Kunststoff, das mittels FDM-Verfahren hergestellt und mit einer PVD-Verschleißschutzschicht beschichtet wurde.
Abb. 3: Zahnrad aus Kunststoff (FDM-Verfahren) mit PVD-Verschleißschutzschicht (© Fraunhofer IST)
Der Vorteil von Lackier- und Galvanikverfahren besteht vor allem darin, dass sie als Tauchverfahren sehr homogene Schichten erzeugen. Die Oberfläche des Bauteils wird komplett von der Flüssigkeit des Beschichtungsmediums umhüllt. Das ist insbesondere wichtig für komplex geformte Bauteile, die mittels additiver Fertigung hergestellt werden können.
2.2 Metallisieren von Kunststoffen
Aufgrund der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit ist bei der Metallisierung von Kunststoffen eine besondere Vorbehandlung notwendig. Eine direkte Metallisierung, wie bei vielen Metallen, ist nicht möglich. Generell funktioniert die Schichthaftung einer Metallschicht auf Polymeren über eine mechanische Verlinkung, dem sogenannten Druckknopfeffekt. Dazu ist eine raue Oberfläche mit Kavernen und Hinterschneidungen notwendig. In der Regel wird diese raue Oberfläche durch ein chemisches Ätzverfahren erreicht, bei Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) zum Beispiel mittels Chromschwefelsäure. Dadurch wird selektiv die Butadien-Komponente entfernt, es verbleiben typische Vertiefungen (Abb. 4). Danach erfolgt die sogenannte Aktivierung, bei der auf chemischem Wege Palladiumkeime auf die Oberfläche gebracht werden. Um die Adsorption dieser Palladiumkeime zu verbessern, werden häufig noch Zwischenschritte eingebaut.
Abb. 4: Schema des Haftungsmechanismus einer Metallschicht auf Kunststoff (Druckknopfeffekt) (© Fraunhofer IST)
Das Palladium wirkt als Katalysator, um den nachfolgenden Schritt der Vormetallisierung zu unterstützen. Dabei wird ein sogenanntes außenstromlos abgeschiedenes Nickel auf der Oberfläche aufgebracht. Anders als bei galvanischen Verfahren findet diese Reduktion rein chemisch statt: Die für die Reduktion der Nickelsalze notwendigen Elektronen werden von einer im Elektrolyten befindlichen Phosphorverbindung (Hypophosphit) zu metallischem Nickel reduziert (tatsächlich Nickelphosphid, NiP). Dieser Prozess wird katalytisch von den Palladiumkeimen unterstützt. Nachdem eine etwa 0,5 µm dünne Nickel-Phosphor-Schicht auf der Oberfläche abgeschieden wurde, ist diese elektrisch leitfähig und kann galvanisch verstärkt werden, in der Regel ebenfalls mit einer Nickelschicht.
3 Polymere als Strukturbauteile in der Raumfahrt
In einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekt (DLR-Innospace Masters: AMPFORS Additive Manfacturing for Polymer Parts for Space Applications) soll untersucht werden, inwieweit traditionell gefertigte Bauteile aus Metall durch additiv gefertigte Bauteile aus Polymeren ersetzt werden können. Die Idee ist, die eingesetzten Polymere durch Metallschichten zu verstärken und somit die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Trotz der enormen Masseersparnis spielen Polymere als Strukturmaterial für Satelliten (mit Ausnahme von CFK und PEEK) eine untergeordnete Rolle. Folgende Gründe sind dafür verantwortlich: Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Polymeren gegenüber metallischen Werkstoffen sind erheblich schlechter (Tab. 1). Die mechanischen Belastungen auf Strukturbauteile, insbesondere in der Startphase der Rakete sind erheblich, somit kommen nur maximal stabile Werkstoffe zum Einsatz, in der Regel Leichtmetalle wie Titan oder Aluminium. Darüber hinaus müssen Komponenten für die Raumfahrt in der Regel eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um statische Aufladung zu verhindern. Ebenso sind Polymere empfindlicher als Metalle gegenüber der elektromagnetischen Strahlung im Weltraum.
Ein weiterer Nachteil von Polymeren gegenüber Metallen in der Raumfahrt ist das sogenannte Ausgasen. Viele Kunststoffe haben nach dem Polymerisationsprozess noch geringe Anteile an nicht abreagierten Monomeren sowie Wasser. Unter den Vakuumbedingungen im Weltraum können diese Reste ausgasen und auf anderen Oberflächen kondensieren. Dieses hätte zum Beispiel für optische Geräte fatale Folgen.
Ein Ziel des AMPFORS-Projekt ist es, die genannten Nachteile durch eine Metallisierung der Oberfläche auszugleichen. Die mechanischen Schwächen des Polymers werden durch die Metallisierung verbessert. Durch die Metallschicht wird ein sogenannter Sandwich-Effekt erzeugt, eine Kombination aus Metall und Kunststoff. Es wird erwartet, dass die mechanischen Eigenschaften sich dramatisch verbessern. Durch die dichte Metallschicht wird auch das Ausgasen unterbunden, wobei sowohl Wasser wie auch flüssige Kunststoffreste am Austreten gehindert werden. Ebenso lässt sich durch die Metallschicht eine statische Aufladung der Oberfläche vermeiden.
3.1 Metallisierung additiv gefertigter Polymerbauteile
Erste Untersuchungen zur Metallisierung von additiv gefertigten Bauteilen wurden von Kannan et al. durchgeführt [5]. Er beschichtete Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), das mittels FDM-Verfahren hergestellt wurde, mit Nickel. Er fand heraus, dass die Zugfestigkeit von unbeschichtetem ABS bei 10 MPa lag, die von beschichtetem Nickel (Schichtdicke 80 µm) bei 15 MPa. Saleh et al. untersuchten ebenfalls ABS, allerdings mit dem SLA-Verfahren hergestellt, sowie Polyamid, das mittels SLS-Verfahren produziert wurde. Die Proben wurden mit Nickel in Schichtdicken von 20 µm bis 120 µm beschichtet. Daraus ergab sich die Erkenntnis, dass es eine direkte Korrelation zwischen der steigenden Schichtdicke und der steigenden Zugfestigkeit gibt [5].
Wie zuvor erwähnt, wird für eine exzellente Haftfestigkeit der Schicht auf dem Polymer eine raue Oberfläche benötigt. Insbesondere die pulverbettbasierten SLS-Verfahren erzeugen diese raue Oberfläche in situ, sodass ein chemisches Ätzen in diesem Fall nicht mehr notwendig ist. Erste Versuche, die an Polyetheretherketon (PEEK) sowie Polyamid (PA 12) durchgeführt wurden, bestätigen diese These. Nach einer ersten Vorbehandlung und Aktivierung wurden Bauteile aus PEEK und PA 12 stromlos vernickelt und nachfolgend mit Nickel galvanisch verstärkt.
Abb. 5: Metallisiertes (links) und nicht metallisiertes (rechts) Bauteil aus Polyamid 12 (SLS-Verfahren) (Bauteil: Fa. Rauch CNC Manufaktur; © Fraunhofer IST)
Abb. 6: Metallisiertes Bauteil aus PEEK (SLS-Verfahren) als Ausschnittsvergrößerung und in Gesamtansicht (kleines Bild, rechts oben) (© Fraunhofer IST)
Abbildung 5 stellt ein galvanisch metallisiertes Bauteil aus Polyamid 12 dar, welches von der Rauch CNC Manufaktur im SLS-Verfahren hergestellt worden ist. Abbildung 6 zeigt ein vernickeltes Bauteil aus PEEK, ebenfalls mit dem SLS-Verfahren hergestellt. Die raue Oberfläche, die für die gute Haftung sorgt, ist sehr deutlich zu erkennen. Das wird auch bestätigt durch ein bei der ESA übliches Testverfahren zur Haftfestigkeiten von Schichten auf Bauteilen, die starken Temperaturschwankungen unterliegen. Dabei wird das beschichtete Bauteil abwechselnd in flüssigen Stickstoff (LN2, Siedepunkt -196 °C) und kochendes Wasser (Siedepunkt 100 °C) getaucht. Diese Prozedur wird fünfmal wiederholt, danach wird ein Klebeband mit sehr großer Haftkraft auf die Metallschicht geklebt. Beim Abreißen dürfen keine Metallflitter auf der Oberfläche des Klebebandes zu sehen sein [6].
Das gleiche Beschichtungsverfahren wurde auf einem PEEK-Bauteil, welches mittels traditionellem Spritzgussverfahren hergestellt wurde, angewendet. Abbildung 7 zeigt die mangelnde Haftung der Nickelschicht auf der Polymeroberfläche. Der Grund wird schnell klar: Die Werkzeuge zur Herstellung von Spritzgussteilen zeigen in der Regel eine sehr glatte Oberfläche, die sich auf die Bauteile überträgt. Damit fehlt genau die Rauheit, die für die mechanische Haftung der Schicht auf der Oberfläche verantwortlich ist. Noch deutlicher wird das Phänomen an Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop (REM). Hier sieht man den Vergleich zwischen der Oberfläche des traditionell spritzgegossenen (Abb. 8) sowie des additiv gefertigten PEEK-Bauteils (Abb. 9).
Abb. 7: Metallisierte PEEK-Oberfläche nach herkömmlichen Spritzverfahren hergestellt zeigt keine Haftung der Metallschicht (© Fraunhofer IST)
Abb. 8: REM-Aufnahme eines unbeschichteten PEEK-Teils, hergestellt im Spritzgussverfahren (© Fraunhofer IST)
Abb. 9: REM-Aufnahme eines unbeschichteten PEEK-Teils, hergestellt mittels SLS-Verfahren (© Fraunhofer IST)
Der zuvor beschriebene Mechanismus der Haftung von Metallschichten auf rauen Kunststoffoberflächen (Druckknopfeffekt) ist in Abbildung 10 dargestellt In der REM-Aufnahme ist die Oberfläche des Kunststoffs (PEEK) mit ihren Vertiefungen und Hinterschneidungen zu erkennen sowie die Nickelschicht, die sich perfekt anpasst. Die Schichtdicke beträgt etwa 30 µm.
Abb. 10: REM-Aufnahme eines Querschliffes von metallisiertem PEEK; Schichtdicke der Metallschicht circa 30 µm (© Fraunhofer IST)
Erste Untersuchungen zur mechanischen Festigkeit zeigen, dass die metallisierten Proben sowohl aus Polyamid als auch aus PEEK tatsächlich einen höheren Biegemodul sowie eine verbesserte Zugfestigkeit verglichen mit den nicht beschichteten Referenzproben besitzen. Abbildung 11 zeigt ein Kraft/Dehnungs-Diagramm von Zugstäben aus Polyamid, die mit Nickel in unterschiedlichen Dicken beschichtet wurden. Dabei ist die Dehnung der jeweiligen Probe gegen die Zugkraft aufgetragen. Der Abfall der Kurven auf Null zeigt das Reißen der Proben an. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass das unbeschichtete Polyamid zwar eine permanente Dehnung aufweist, allerdings im untersuchten Gebiet nicht reißt.
Abb. 11: Kraft/Dehnungs-Diagramm von Zugstäben aus beschichtetem und unbeschichtetem Polyamid mit Nickelschichten zwischen 50 µm und 150 µm Nickel sowie einer gerissenen Zugmessprobe aus PA mit 50 µm Nickel (kleines Bild) (© Fraunhofer IST)
4 Zusammenfassung und Ausblick
Verfahren der Additiven Fertigung sind neben den subtraktiven Verfahren zur Herstellung von Bauteilen eine nahezu perfekte Ergänzung. Allerdings benötigen sie häufig eine Nachbehandlung zur Optimierung der Oberfläche. Im Rahmen des DLR-AMPFORS-Projekts wurden Kunststoffbauteile, die mittels additiver Fertigung (SLS-Verfahren) aus PEEK und Polyamid hergestellt wurden, galvanisch metallisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Haftung der Metallschicht auf dem Polymer auch unter extremen Bedingungen exzellent ist. Der Grund dafür ist die Rauheit der Oberfläche, die für eine mechanische Verlinkung sorgt (Druckknopfeffekt).
Erste Messungen zeigen, dass sich die mechanischen Eigenschaften von beschichteten Proben gegenüber den unbeschichteten Proben stark verbessern. Weitere Tests sind notwendig, um die mechanischen Verbesserungen zu bestätigen. Darüber hinaus müssen Ausgastests zeigen, dass die Schichten gasdicht sind. Die Haftfestigkeit unter den extremen Bedingungen eines Raketenstarts müssen mit dem sogenannten Shaker-Test verifiziert werden.
Danksagung
Das Projekt AMPFORS wurde finanziell unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi im Rahmen des DLR Innospace Masters Programm (FKZ.: 50RP1730).
Literatur
[1] DIN EN ISO/ASTM 52900, Beuth Verlag
[2] K. V. Wong, A. Hernandez: Review Article: A Review of Additive Manufacturing; International Scholarly Research Network, ISRN Mechanical Engineering, Volume 2012, Article ID 208760, 10 pages, doi:10.5402/2012/208760
[3] William E. Frazier: Metal Additive Manufacturing: A Review; Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 23(6) June 2014, p. 1918
[4] S. Kannan, D. Senthilkumaran: Investigating the Influence of Electroplating Layer Thickness on the Tensile Strength for Fused Deposition Processed ABS Thermoplastics; International Journal of Engineering and Technology (IJET); Vol. 6, No. 2, Apr-May 2014, p. 1047-1052
[5] N. Saleh, N. Hopkinson, R. J. M. Hague, S. Wise: Effects of electroplating on the mechanical properties of stereolithography and laser sintered parts; Rapid Prototyping Journal, Vol. 10, Issue 5, (2004), pp. 305-315, https:// doi.org/10.1108/13552540410562340
[6] ESA-Norm ECSS-Q-ST-70-17C: Durability testings of coatings
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