Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart hebben een nieuwe methode ontwikkeld, die de voordelen van 3D printen en gieten combineert.
Bij het additieve vrijevormgieten wordt eerst het omhulsel van het onderdeel geproduceerd via FLM-printen (Fused Layer Modeling). Vervolgens wordt dit gevuld met een tweecomponentenhars. Dit bespaart tijd, verhoogt de stabiliteit van het onderdeel en maakt het mogelijk nieuwe materialen te printen. Dat meldt AT-Aandrijftechniek.
Voordelen en beperkingen 3D-printen
Met 3D-printen kunnen kleine series, prototypes en enkelstuks sneller en goedkoper via 3D printen worden vervaardigd dan via bijvoorbeeld spuitgieten. Bovendien kunnen complexe structuren en geïntegreerde functionaliteit worden gerealiseerd.
Maar 3D-printen heeft ook beperkingen. Bij FLM, de meest gebruikte methode, legt een spuitkop het geprinte materiaal in draden parallel naast elkaar. Daardoor ontstaan voegnaden en poriën. Het materiaal ligt niet ‘vol’ in de vorm zoals bij bijvoorbeeld spuitgieten. Daardoor zijn de mechanische eigenschappen van het onderdeel slechter. Bovendien brengt de spuitkop elke laag afzonderlijk aan. Er is veel tijd nodig om een groot onderdeel op te bouwen.
Een derde nadeel is, dat bij FLM alleen kunststoffen kunnen worden gebruikt die bij verhitting zacht worden: thermoplasten. Thermoharders die na het uitharden ondanks opwarming stabiel blijven, kunnen niet worden geprint.
Additief vrijevormgieten
Met het additief vrijevormgieten hebben de onderzoekers van Fraunhofer-IPA een manier gevonden om deze nadelen te beperken. Hiertoe hebben ze het additieve proces gecombineerd met een gietproces. In de eerste stap wordt het omhulsel van het onderdeel geproduceerd via de FLM-methode. Als materialen gebruiken de experts de in water oplosbare kunststof, polyvinylacetaat (PVA).
Aansluitend wordt de omhulling automatisch opgevuld met een nauwkeurig gedoseerde hoeveelheid polyurethaan- of epoxyhard. Bij polyurethaan duurt het maar drie minuten totdat de hars is uitgehard. Vervolgens kan het onderdeel volgens hetzelfde principe willekeurig in de hoogte worden uitgebreid.
Zodra het proces is afgesloten en het onderdeel is uitgehard, wordt de vorm in een waterbad verwijderd. Zo ontstaat een in 3D geprint onderdeel met eigenschappen die die van een spuitgietproduct benaderen.
3D-printen én gieten
Om het opvulmateriaal in het omhulsel te gieten, hebben de onderzoekers een speciale doseereenheid voor tweecomponenten materialen in de 3D printer ingebouwd. Hierdoor is het mogelijk het totale proces (printen van de omhulling en het opvullen) ‘in één stap’ uit te voeren. Het printproces hoeft niet te worden onderbroken en kan net als bij het gangbare 3D printen volledig digitaal worden aangestuurd.
Bovendien kunnen met deze methode tweecomponenten harsen worden verwerkt.-Als onderdeelmateriaal kunnen ook tegen warmte bestande thermoharders worden gebruikt. Bovendien wordt het onderdeel veel sneller opgebouwd. Men hoeft alleen de omhulling te printen, de rest kan men overlaten aan de zwaartekracht. Tot slot zijn de onderdelen duidelijk stabielere omdat het materiaal de vorm compleet opvult waardoor geen poriën of luchtinsluitingen ontstaan.
Partners gezocht
In het project hebben de onderzoekers van Fraunhofer-IPA de haalbaarheid van het proces bewezen. Bovendien werden verschillende onderdelen als prototype gerealiseerd. Nu zoeken de onderzoekers partners uit de industrie die hen helpen bij het productierijp maken van het proces.