Startseite » Chemie » Anlagen (Chemie) »

PTFE-Bauteile aus dem 3-D-Drucker

Additive Fertigung mit vollfluorierten Polymeren
PTFE-Bauteile aus dem 3-D-Drucker

Am Standort Burgkirchen validiert Dyneon derzeit auf einem 3-D-Labordrucker den Einsatz von PTFE-Formulierungen und die Eigenschaften der damit hergestellten Formteile. Ziel der Versuche ist es, das additive Verfahren zur Fertigungsreife zu führen. Denn dadurch rückt die Produktion von kleinsten Losgrößen bis zur Stückzahl 1 in einen attraktiven Kostenbereich.

Ob in der Luft- und Raumfahrt, für Prototypen im Automobilbau oder der Verfahrenstechnik: Immer dann, wenn es um kleine Stückzahlen von Komponenten mit hohem Wertbeitrag geht, stoßen konventionelle, industrielle Herstellungsverfahren an ihre Grenzen. Hier verspricht der 3-D-Druck erhebliche Kosteneinsparungen und neue konstruktive Möglichkeiten. Genau die erschließt 3M für vollfluorierte Polymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE).

Über Jahrzehnte hinweg strebte die Industrie danach, Bauteile in immer größeren Stückzahlen zu fertigen. Bei den darauf optimierten Fertigungsverfahren entstehen zwar zu Beginn sehr hohe Vorlaufkosten für Werkzeuge und die Programmierung von komplexen Bearbeitungsschritten. Aber die Skaleneffekte bei der Fertigung von Hunderttausenden oder Millionen gleicher Bauteile amortisieren diese Kosten sehr schnell. Am weitesten verbreitet sind thermische Verfahren, bei denen Metalle oder Kunststoffe verflüssigt und in vorgefertigte Formen gegossen werden. Anschließend werden sie häufig subtraktiv bearbeitet. Spezielle Werkzeuge wie Bohrer oder Fräsköpfe entfernen solange Material, bis die gewünschten Geometrien erreicht sind.

Grenzen konventioneller Fertigung

Diese konventionellen Herstellverfahren benötigen einen zeitlichen Vorlauf, beispielsweise um Werkzeuge herzustellen und die Bearbeitungen zu programmieren. Zusätzlich müssen Konstrukteure immer darauf achten, dass Bauteile mit den konventionellen Methoden herstellbar sind. Komplexere Bauteile mit mehreren Funktionen bestehen darum in der Regel aus verschiedenen Einzelteilen, die anschließend montiert werden. Dabei entstehen wiederum Dichtstellen.

Nicht schmelzbare Werkstoffe erfordern die subtraktive Bearbeitung aus Rohlingen. Dabei entstehen erhebliche Mengen nicht nutzbarer Produktionsabfälle – bei teuren Werkstoffen sehr unwirtschaftlich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass konventionell gefertigte Formteile aus PTFE nahezu immer massiv sind. Dies kann sich nachteilig auf das Bauteilgewicht auswirken.

Fertigung kleinster Losgrößen

Im Gegensatz zur etablierten Großserienfertigung geht im Rahmen von Industrie 4.0 der Trend zur wirtschaftlichen Fertigung kleinster Losgrößen. Die additive Fertigung ist dabei ein wichtiges Glied einer digitalen Engineeringkette. Zukünftig werden sich leichte, multifunktionale Formteile aus den CAD-Daten heraus ohne Werkzeugkosten und lange Vorlaufzeiten in einem Prozessschritt einbaufertig herstellen lassen.

Bei der werkzeuglosen, additiven Fertigung werden Formteile dreidimensional gedruckt. Auf der Basis von digitalen Konstruktionsdaten wird durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut. Anders als im Privatbereich haben sich additive Fertigungsverfahren in der Industrie bereits in zahlreichen Anwendungen durchgesetzt. In diesem Jahr eröffnete in Deutschland die erste Fabrik, die ausschließlich additive Verfahren einsetzt. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden bereits Serienbauteile für Triebwerke gedruckt und die Automobilindustrie verkürzt mit 3-D-Druckern die Entwicklungszeiten für Prototypen.

PTFE für extreme Anforderungen

Das macht dieses Fertigungsverfahren auch für die Familie der vollfluorierten Polymere wie PTFE höchst interessant. Sie sind chemisch nahezu universell beständig. Ihr Einsatztemperaturbereich erstreckt sich über mehr als 500 °C, von -250 bis +260 °C. PTFE ist praktisch nicht brennbar. Die langkettige Struktur mit hoher Dichte führt zu sehr guten Abdichteigenschaften. Positive elektrische Eigenschaften runden das Bild ab. PTFE und andere vollfluorierte Werkstoffe kommen dann zum Einsatz, wenn alle anderen Alternativen die Anforderungen nicht mehr erfüllen. Ihr Wertbeitrag, beispielsweise als zuverlässige und langlebige Dichtungen oder Auskleidungen, ist darum sehr hoch. Typische Einsatzgebiete sind Treibstoff führende Systeme mit hohen Temperaturen, sowie Korrosionsschutz und Dichtungsanwendungen in Prozessanlagen mit aggressiven Chemikalien.

Industrielle Anwender und Treiber additiver Fertigungstechnologien sind gleichzeitig wichtige Abnehmer für Produkte, die aus PTFE gefertigt werden. Bislang konnte PTFE jedoch nicht mit den üblichen additiven Verfahren verarbeitet werden. 3M hat nun eine Technologie entwickelt und zum Patent angemeldet, mit der werkzeuglos Formteile aus PTFE auf einem handelsüblichen 3-D-Drucker gefertigt werden können. Unter verschiedenen untersuchten Verfahren stellte sich die Stereolithografie als das für die PTFE-Verarbeitung erfolgversprechendste Verfahren heraus.

In dem von 3M entwickelten Prozess wird das vollfluorierte Polymer (hier: PTFE) mithilfe eines Binders zu einem sogenannten Hydrogel geformt. Der Binder ist photosensitiv und härtet durch UV-Bestrahlung aus. Nach dem Druck des Formteils wird der Binder thermisch entfernt. Mit dem 3-D-Labordrucker lassen sich bislang Formteile in der Größenordnung von bis zu 35 x 30 x 55 mm herstellen.

Dichte gedruckter PTFE-Formteile

Die auf dem 3-D-Labordrucker gefertigten Bauteile weisen hinsichtlich vieler Eigenschaften ein vergleichbares Profil auf, wie herkömmlich produzierte PTFE-Formteile. Einige Eigenschaften können sogar überlegen sein. Die Untersuchungen an ca. 1,4 mm dicken Formteilen zeigten, dass die Dichte werkzeuglos gefertigter Bauteile Werte von 2,12 bis 2,17 g/cm³ erreicht. Diese Werte liegen im Bereich konventionell gefertigter Formteile. Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen eines gedruckten und konventionell hergestellten Formteils verdeutlichen, dass keine Poren oder Hohlräume zu erkennen sind. Die gedruckten Formteile bieten die gleiche, nahezu universelle chemische Beständigkeit wie konventionell hergestellte Formteile.

Zeitersparnis für den Anwender

Die Verarbeitung von PTFE über additive Verfahren eröffnet völlig neue Optionen für die schnelle und kostengünstige Fertigung kleinster Serien bis hin zur Einzelfertigung. Hersteller können damit komplexe Formen konstruieren, Gewicht sparen und die Funktionsintegration vorantreiben, um nur ein paar Vorteile zu nennen. Vor allem aber sparen Hersteller und Anwender Zeit, weil sie zukünftig direkt aus den CAD-Daten heraus Formteile drucken können, um beispielsweise Prototypen oder Ersatzteile aus PTFE zu fertigen.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0617dyneon


Autorin Dr.-Ing. Fee Zentis

Entwicklung 3-D-Druck-Technologie für PTFE,

Dyneon


Autorin Ina Vrancken

Market Segment Manager,

Dyneon

Unsere Webinar-Empfehlung
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

cav-Produktreport

Für Sie zusammengestellt

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Top-Thema: Instandhaltung 4.0

Lösungen für Chemie, Pharma und Food

Pharma-Lexikon

Online Lexikon für Pharma-Technologie

phpro-Expertenmeinung

Pharma-Experten geben Auskunft

Prozesstechnik-Kalender

Alle Termine auf einen Blick


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de