Additiv gefertigte metallische Bauteile müssen nicht teuer sein - wenn das Herz aus Kunststoff ist

Von Dr. Jürgen Hofinger, Radeberg

Die additive Fertigung macht es möglich, Bauteile kostengünstig und schnell aus der Konstruktion in die Realität umzusetzen. Für die Verwendung von Kunststoffen stehen eine Reihe von interessanten Verfahrenstechniken zur Herstellung von höheren Stückzahlen zur Verfügung. Durch eine aufgebrachte metallische Schicht mit Dicken von deutlich über einigen Mikrometern erhalten die Teile eine erhöhte Festigkeit und metallischen Charakter. Hierbei bieten unter anderem die verfahrensbedingten Rauheiten Vorteile bezüglich der Haftung, müssen aber andererseits je nach Anforderungen an Bauteile durch mechanische Bearbeitung angepasst und optimiert werden.

Die Faszination der additiven Fertigung, umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, scheint ungebrochen. Zahlreiche Dienstleister bieten in Deutschland die Fertigung von Bauteilen auf Basis von 3D-Daten mit verschiedenen Verfahren für Metalle und Kunststoffe an. Noch deutlich größer dürfte die unbekannte Zahl der Unternehmen sein, die Bauteile mit diesen Verfahren bereits mit eigenen Anlagen Inhouse fertigen.

Additive Fertigungsmethoden bieten eine Reihe von Vorteilen, wie die hohe Geometriefreiheit, einen geringen Materialverbrauch und die werkzeuglose Fertigung mit dem Potenzial, vor allem Entwicklungs- und Innovationsprozesse zu beschleunigen. Die Argumente für die Fertigung im eigenen Haus sind oft Schnelligkeit und die Vertraulichkeit der Daten. Nicht zu vernachlässigen sind jedoch sicher emotionale Gründe: Die Möglichkeit, anhand von Computermodellen fertige Bauteile auf Knopfdruck zu generieren, übt eine unmittelbare Faszination aus.

Wo besonders hohe Erwartungen geweckt werden, ist allerdings auch die Gefahr der Enttäuschung groß. Sehr lange Fertigungszeiten sind die größte Hürde für den Einsatz in Serienanwendungen. Die Materialeigenschaften, insbesondere die Festigkeitseigenschaften, sind teilweise weit schlechter, als die von klassisch gefertigten Bauteilen. Je nach Verfahren weisen die Oberflächen eine starke Strukturierung über mehrere Größenordnungen hinweg auf. Ähnlich wie bei der Entwicklung von 2D-Drucktechniken sind hier zukünftig jedoch sicher noch deutliche Verbesserungen in Geschwindigkeit und Auflösung zu erwarten.

Nicht nur Kunststoffe, auch Metalle können mit additiven Fertigungsverfahren verarbeitet werden, allerdings sind die technischen Möglichkeiten im Vergleich zu ­Kunststoffen hier deutlich stärker eingeschränkt [1]. Das Grundprinzip der additiven Fertigung von Metallbauteilen beruht derzeit ausschließlich auf dem Verschmelzen von Metallpulvern, die schichtweise auf einer Oberfläche aufgetragen werden. Der Energieeintrag ist somit ­naturgemäß deutlich höher als bei Kunststoffen, die Anlagen sind dementsprechend groß und ­teuer und die Fertigungszeiten sehr ­lange.

1 Verbund aus Kunststoff und Metall bringt Vorteile

Hohe Temperaturen und metallähnliche Festigkeiten sind im 3D-Druck nur mit Vollme­tallbauteilen zu erreichen. In allen ­anderen Fällen kann ein Verbund aus Kunststoff mit einer Metalloberfläche jedoch die ­ideale Kombination aus vergleichsweise ­schneller und günstiger Fertigung einerseits, und ausreichend hoher Festigkeit sowie ästhetischem Anspruch andererseits darstellen. Die Grundkörper werden dabei mit Hilfe von verschiedenen additiven Fertigungsverfahren aus Kunststoff hergestellt und in einem geeigneten Verfahren danach mit ­Metallen ­beschichtet. Dünne Schichten, die durch physikalische Beschichtungsmethoden wie Sputtern oder thermisches Verdampfen erzeugt werden, verbessern zwar im Idealfall das optische Erscheinungsbild, tragen jedoch aufgrund der geringen Schichtdicke nicht wesentlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils bei. Außerdem ist bei diesen Verfahren die Veredelung komplexer Geometrien nur bedingt möglich, da die Beschichtung jeweils aus einer Richtung erfolgt und somit bei nicht direkt zugänglichen Stellen Abschattungseffekte eintreten.

Bei der chemischen Beschichtung sind dagegen auch schwer zugängliche Stellen gut beschichtbar, sofern diese für den metallhaltigen, wässrigen Elektrolyten zugänglich sind. Mit den autokatalytisch arbeitenden Abscheidesystemen können Nickel- oder Kupferschichten bis zu einer Dicke von zehn Mikrometern noch mit vertretbarem Aufwand aufgebracht werden. Für noch deutlich höhere Schichtdicken eignen sich galvanische Abscheideverfahren, mit der auch Endschichten wie Zinn, Silber und Chrom hergestellt werden können. Zwar ist die gleichmäßige Beschichtung für verdeckte Oberflächen dann schwieriger, da die Schichtabscheidung möglichst homogene elektrische Felder an der Bauteiloberfläche voraussetzt. Zur Erreichung einer möglichst gleichmäßigen Schichtverteilung enthalten die Elektrolyte jedoch ­Zusätze, die die sogenannte Streufähigkeit verbessern. Die Beschichtung kann somit auch bei diesem Verfahren deutlich gleichmäßiger erfolgen als bei den genannten physikalischen Methoden.

Schichtdicken von 50 µm sind für galvanisch aufgebrachte Metallschichten in Anwendun­gen der Automobil- und Sanitärindustrie durchaus üblich und sorgen nicht nur für metallisches Aussehen, sondern auch für eine metallähnliche Haptik aufgrund der hohen Wärmekapazität der Schichten (Cool Touch). Feine Rauheiten der Oberfläche in der Größenordnung von wenigen Mikrometern und darunter können durch die Schichten ausgeglichen werden und erzeugen einen perfekten Oberflächenglanz. Leider ist ein Ausgleich gröberer Strukturen, wie sie häufig bei additiven Fertigungsverfahren entstehen nicht möglich. Andererseits ist bei Prototypen ein Schichtaufbau von 100 µm und mehr oft durchaus vertretbar. Damit lassen sich ­Teile herstellen, die in ihrer wertigen Anmutung und häufig auch in Bezug auf mechanische Eigenschaften Leichtmetallbauteilen in nichts nachstehen.

2 Herausforderungen bei der ­Metallisierung additiv ­gefertigter Kunststoffbauteile

Die chemisch-galvanische Beschichtung von Kunststoffen ist ein seit vielen Jahrzehnten etabliertes und bewährtes Verfahren, zumindest für ABS-basierte Bauteile. Bei additiven Fertigungsverfahren kommen jedoch häufig auch andere Kunststoffe zum Einsatz. Darüber hinaus ergeben sich aus der Verarbeitung sehr kleiner Serien bis hin zu Einzelstücken besondere Herausforderungen. Während zum Beispiel bei großen Serien mit gewissen, wenn teilweise auch kleinen Ausschuss­quoten gerechnet wird, ist dies bei teuren Einzelteilen aus dem 3D-Drucker nicht akzeptabel. Eine feste Größe im Repertoire des Beschichters von Prototypen sind daher Verfahren zur Wiederaufbereitung von Fehlteilen, die in der Kunststoffgalvanik von Großserien keine Rolle spielen. Zudem ist es möglich, kleinere, lokale Aufwachsungen (Pickel) oder Poren auf der beschichteten Oberfläche nachzubearbeiten und damit zu entfernen. Der erhöhte Aufwand spiegelt sich zwar in höheren Kosten für die Beschichtung wider, die in einer Gesamtkostenbetrachtung bei einer Fertigung von kleinen Stückzahlen jedoch immer noch vertretbar sind. Weitere Herausforderungen sind vom jeweiligen Druckverfahren abhängig und werden meist durch die Besonderheiten der Oberfläche und durch das verwendete Material bedingt.

2.1 FDM-Verfahren (Würstchendruck)

Das besonders günstige FDM-­Verfahren (Fused Deposition Modeling; Filament 3D-
Druck) für die additive Fertigung von Kunststoffbauteilen wird wegen der besonders günstigen Anschaffung des Druckers bevorzugt von Privatpersonen, aber auch als einfacher Inhouse-3D-Druck in ­Unternehmen eingesetzt [2]. Das Prinzip basiert auf dem Schmelzen von Kunststofffilamenten, die unter Druck bei hoher Temperatur in einem Extruder verarbeitet werden. Das Material härtet beim Abkühlen schnell aus und wird schichtweise auf einer Bauplattform aufgetragen. Charakteristisch sind die linienförmigen Strukturen, die je nach Druckertyp unterschiedlich fein ausfallen und somit auch die Geschwindigkeit des Drucks beeinflussen. Überhängende Elemente erfordern Stützstrukturen, um ein Verformen der unmittelbar nach dem Auftrag noch weichen Strukturen zu verhindern. Größere Volumina werden typischerweise mit Hohlräumen gedruckt, um die Geschwindigkeit zu erhöhen und Material zu sparen (Abb. 1). Diese Optimierungen der Geometrie werden durch den Drucker beziehungsweise den Druckertreiber selbstständig vorgenommen und sind im Modell, das an den Drucker übergeben wird, noch gar nicht enthalten.

Abb. 1: Automatisch eingefügte Hohlräume eines im FDM-Verfahren hergestellten Bauteils

 

Gerade diese Hohlräume können bei der chemisch-galvanischen Beschichtung jedoch zu Problemen führen, wenn die Oberfläche des Modells nicht vollständig geschlossen ist. Während der Beschichtung füllt sich das Modell dann mit Elektrolyt, der in den kurzen Spülvorgängen zwischen den Stufen der Abscheidung nur unzureichend ausgewaschen wird. Die Verschleppung der Chemikalien führt zu Fehlbeschichtungen in der Nähe der Öffnungen. Außerdem können auch nach der Beschichtung und sogar nach der Trocknung noch giftige Chemikalien aus dem Bauteil auslaufen. Das Problem lässt sich meistens vermeiden, in dem auf vollständig geschlossene Modelle geachtet wird. Kritisch sind in dieser Beziehung Flächen mit spitzen Winkeln im Modell. Sind diese nicht vermeidbar, so muss das Modell vor der Beschichtung versiegelt werden.

Für eine chemisch-galvanische Beschichtung besonders gut geeignete Materialien für dieses Verfahren sind ABS-Kunststoffe. Wie in der klassischen, dekorativen Kunststoffgalva­nik werden in den ersten Verfahrensschritten submikroskopisch kleine Butadienpartikel herausgelöst und sorgen für eine druckknopf­artige Struktur, in der die Metallschicht gut verankert werden kann.

Abb. 2: Streifenförmiger Abzug einer Kupferbeschichtung auf einem mittels FDM gedruckten Bauteil zur Messung der Schichthaftfestigkeit, bei dem die linienförmige Oberflächenstruktur durch die Beschichtung nachgebildet wird

 

2.2 SLS-Verfahren (Lasersintern)

Anlagen für dieses Verfahren sind komplexer und teurer im Vergleich zum FDM-Verfahren, das daher besonders oft bei 3D-Druckdienstleistern angeboten wird [3]. Ausgangsmaterial ist ein thermoplastisches Kunststoffpulver, das mit Hilfe eines Rakels schichtweise auf der Bauplattform aufgetragen und über einen flächenförmig beweglichen Laserstrahl versintert wird. Die Pulverpartikel werden dabei jedoch nur oberflächlich erweicht, sodass beim Schmelzen keine größeren Verformungen der Geometrie auftreten. Die so hergestellten Bauteile bleiben damit aber porös und weisen eine stark raue Oberfläche auf, die mit der Partikelgröße korrespondiert. Für die chemisch-galvanische Beschichtung sind die Rauigkeit und Porosität an der Oberfläche sehr vorteilhaft, da sich ohne zusätzliche Strukturierungsmaßnahmen Metallschichten mit hoher Haftfestigkeit verankern lassen. Allerdings können auch hier die sehr groben Strukturen bei vertretbarem Aufwand nicht alleine durch die einebnende Wirkung von galvanischen Beschichtungen ausgeglichen werden. Ideal ist daher bei diesem Verfahren eine mechanische Nachbehandlung gedruckter Teile in einem automatisierten Schleifprozess (Gleitschleifen, Trowalisieren), bei dem die Teile zusammen mit Schleifkörpern in einer Trommel bewegt werden.

Aufgrund der gut strukturierten Oberflächen eignen sich praktisch alle Kunststoffe, die für diese Verfahren angeboten werden, auch für eine nachfolgende chemisch-galvanische Beschichtung. Beim SLS-Druck wird der Vorteil der Verbesserung von mechanischen ­Eigenschaften durch die Metallschichten ­besonders deutlich.

2.3 MJF (Multi Jet Fusion)

Dieses professionelle 3D-Druckverfahren zeichnet sich durch eine hohe Druckgeschwindigkeit bei qualitativ sehr hochwertigen Oberflächen aus [4]. Auch dieses Verfahren ist pulverbasiert; statt der Verschmelzung von Partikeln mit Hilfe eines Lasers werden jedoch in einem Prozess ähnlich dem Tintenstrahldruck zwei Komponenten einer Binderflüssigkeit versprüht, die sehr schnell aus­härten.

Im Gegensatz zum Lasersintern entstehen dadurch nahezu vollständig dichte Bauteile mit guten Festigkeitseigenschaften. Als Material werden vor allem Polyamide verwendet. Die chemisch-galvanische Beschichtung dieser Materialien ist wesentlich schwieriger als bei lasergesinterten Teilen, da keine systembedingte Porosität zur Verankerung der Metallschicht genutzt werden kann. Vorteilhaft wäre eine Mineralfüllung des Materials, wie sie bereits bei Spritzgussteilen eingesetzt wird, die sich im Rahmen einer Vorbehandlung der Bauteile herauslösen lässt und somit eine Strukturierung ermöglicht. ­Leider werden derzeit die Kunststoffmaterialien jedoch noch nicht hinsichtlich Galvanisierbarkeit optimiert. Allerdings kann alternativ die Inhomogenität, die durch Pulverpartikel und Binder entsteht, für eine Strukturierung der Oberfläche genutzt werden und ­somit ist auch bei diesem Verfahren eine chemisch-galvanische Metallbeschichtung möglich.

2.4 SLA (Stereolithographie)

Das additive Fertigungsprinzip Stereolithographie gehört zu den ältesten 3D-Druckverfahren [5]. Die Bauteile werden aus einer Monomerflüssigkeit hergestellt, die schichtweise durch Bestrahlung mit einem Laser auspolymerisiert. Eine wesentliche Verbesserung hat das Verfahren durch den Einsatz von DLP-Spiegelchips erfahren, die sonst in Beamern verwendet werden. Damit ist es möglich, die Belichtung ganzer Flächen statt einzelner Punkte vorzunehmen, womit eine deutliche Geschwindigkeitssteigerung erreicht wird.

Die eingesetzten Materialien sind naturgemäß auf lichthärtende Polymere beschränkt. Im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren werden mit der Stereolithographie die besten Oberflächenqualitäten erreicht. Aufgrund der sehr homogenen Struktur des Materials ist allerdings auch eine chemisch-galvanische Beschichtung besonders schwierig, mit einigem Aufwand jedoch möglich.

3 Fazit

Die galvanische Beschichtung von additiv gefertigten Kunststoffteilen ist in vielen Fällen eine echte Alternative zum relativ teuren Sintern von Metallpulvern mittels SLM. Im Gegensatz zum Metalldruck stehen für Kunststoffe verschiedene 3D-Druckverfahren zur Verfügung, die sich hinsichtlich verarbeitbarer Materialien, Oberflächenqualität, Festigkeit, Druckgeschwindigkeit und Preis unterscheiden. Durch ausreichend dicke Metallschichten von 10 µm und mehr werden nicht nur die optische und haptische Erscheinung verbessert, sondern auch die mechanischen Eigenschaften der Teile. Darüber hinaus erschließen sich durch diese ­Beschichtung Anwendungen, die sonst nur Metallen vorbehalten sind.

Bevorzugt werden die metallischen Schichten durch eine rein chemische Vorbehandlung der gedruckten Teile ermöglicht, die eine für die Verankerung der Schicht vorteilhafte Strukturierung herstellt und die Benetzbarkeit verbessert. Alternativ können für die Vorbehandlung jedoch auch physikalische ­Methoden wie Plasmabehandlungen und für geometrisch einfache Teile thermisches Bedampfen oder Sputtern eingesetzt werden.

Das Unternehmen Biconex bietet die chemisch-galvanische Metallbeschichtung von 3D-gedruckten Teilen verschiedener Verfahren als Dienstleistung an. Die selbst entwickelten Prozesse der Kunststoffvorbehandlung sind chrom(VI)frei und damit im Hinblick auf den Umwelt- und Arbeitsschutz im Vorteil, da das Problem der REACh-Autorisierung nicht besteht. Zudem bietet die Verfahrenstechnik die Möglichkeit, Kunststofftypen zu beschichten, die mit den klassischen Aktivierungsverfahren für ABS-Typen nicht vorbehandelt werden können.

Literatur

[1] B. Buchmayr, G. Panzl; Berg- und Hüttenmännisches Monatsheft (2015) 160: 15; https://doi.org/10.1007/s00501-014-0326-1

[2] A. Fischer, St. Gebauer, E. Khavkin; 3D-Druck im Unternehmen - Entscheidungsmodelle, Best Practices und Anwendungsbeispiele. Am Beispiel Fused Layer Modeling (FLM); Hanser Verlag, ISBN 978-3-446-44008-1 (2018)

[3] M. Schmid: Additive Fertigung mit Selektivem Lasersintern (SLS); Springer Vieweg Verlag, ISBN 978-3-658-12288-1 (2015)

[4] N. N.: Additive Fertigung; X-Technik IT & Medien GmbH, Ausgabe Mai 2017

[5] B. Keppner, W. Kahlenborn, St. Richter, T. Jetzke, A. Lessmann, M. Bovenschulte: Die Zukunft im Blick - 3D-Druck, Trendbericht zur Abschätzung der Umweltwirkungen; Umweltbundesamt, ISSN 2363-8311 (2018)

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