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3D-Druck Großformatige additive Fertigung ermöglicht Herstellung autoclavierbarer Großwerkzeuge

| Autor / Redakteur: Walt Thompson 1, Scott R. Huelskamp 2, Tim Allessio 1, Kim Ly 1 / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die großformatige Additive Fertigung ist eine Technologie, deren Wachstum von der Zusammenarbeit und Nutzung durch ihre User vorangetrieben wird. Sabic und das Forschungsinstitut der Universität Dayton (Ohio, UDRI) haben das Potenzial der LFAM-Technologie für ein Werkzeug zur Fertigung von Großformteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie untersucht.

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Die numerisch gesteuerte Metallbearbeitung zur Herstellung von Autoclavwerkzeugen ist mit Vorkosten für das Material und den CNC-Aufwand sowie mit Zusatzkosten für Designänderungen verbunden. Der Einsatz der LFAM-Technologie kann den Kosten- und Zeitaufwand reduzieren.
Die numerisch gesteuerte Metallbearbeitung zur Herstellung von Autoclavwerkzeugen ist mit Vorkosten für das Material und den CNC-Aufwand sowie mit Zusatzkosten für Designänderungen verbunden. Der Einsatz der LFAM-Technologie kann den Kosten- und Zeitaufwand reduzieren.
(Bild: gemeinfrei // unsplash)

Was ist LFAM?

Die großformatige Additive Fertigung (Large Format Additive Manufacturing, LFAM) mit polymeren Materialien ist ein Verfahren, bei dem Kunststoffgranulat in einem Extrusionszylinder aufgeschmolzen und entlang computergesteuerter Bahnen Schicht für Schicht extrudiert wird, um ein Formteil aufzubauen. Der Prozess nutzt ein digitales Modell und Software, um ein Querschnittsabbild zu erzeugen, das die Bahnen für den Drucker definiert.

Da LFAM mit Granulat arbeitet, ist eine Vielzahl geeigneter Materialien vorhanden, einschließlich verstärkter Thermoplaste mit Glasfasern, Carbonfasern, Mineralfüllern etc., die dem Designer Festigkeit und Wärmeausdehnungseigenschaften (CTE) jenseits des erreichbaren Niveaus unverstärkter Polymere bieten. Je größer die Teile werden, desto wichtiger ist die Verstärkung, um ihre Struktur sowohl während des Druckens als auch in der Endanwendung sicherzustellen.

Die Vorteile von LFAM

  • LFAM eignet sich nicht nur zum Drucken großer Teile (wie Werkzeuge und Vorrichtungen), die mit kleinerformatigen Verfahren nicht machbar sind, sondern kann auch die Vorlaufzeiten der Produktion gegenüber herkömmlichen Fertigungstechniken reduzieren.
  • Zudem lassen sich Teile mit komplexen Geometrien herstellen, die mit traditionellen Verfahren wie dem Spritzgießen nur schwer realisierbar wären.
  • Die LFAM-Druckgeschwindigkeiten ermöglichen schnelle Prototypen und mehrere Iterationen eines Designs, was die Entwicklungszyklen beschleunigt.
  • Darüber hinaus ist der Kosten- und Zeitaufwand für maßgeschneiderte Kleinserienanwendungen geringer ist bei Fertigungstechniken für höhere Stückzahlen, die größere Vorinvestitionen erfordern.

Anwendung: LFAM statt CNC-Metallbearbeitung

Die numerisch gesteuerte Metallbearbeitung zur Herstellung von Autoclavwerkzeugen ist mit Vorkosten für das Material und den CNC-Aufwand sowie mit Zusatzkosten für Designänderungen verbunden. Der Einsatz der LFAM-Technologie kann den Kosten- und Zeitaufwand zur Fertigung ähnlich komplexer Werkzeuge in kleineren Stückzahlen reduzieren. Dank der höheren Druckgeschwindigkeit von LFAM im Vergleich zur spanenden CNC-Metallbearbeitung können in der gleichen Zeit, die für ein CNC-gefertigtes Metallwerkzeug erforderlich wäre, mehrere Iterationen des Designs im 3D-Druck durchgeführt werden. Hinzu kommt, dass der schnelle 3D-Druck eines Werkzeugs auf der Basis einer computererzeugten Datei den Aufwand und die Kosten zur längeren Lagerung des Werkzeugs sparen kann, da es sich jederzeit nachdrucken lässt.

Herausforderung raues Umfeld

Die größte Herausforderung zur Substitution von Metall- durch LFAM-Werkzeugen bestand darin, die richtige Polymer- und Verstärker- bzw. Füllstoffkombination für das raue Autoclavierumfeld zu finden. Das Material muss sich gut drucken lassen und auch den Belastungen, Temperaturwechselbedingungen und maßlichen Anforderungen im Einsatz gewachsen sein. So ist die Dimensionsstabilität des gedruckten Werkzeugs entscheidend, da sich Abweichungen negativ auf die Qualität der mit dem Werkzeug gefertigten Teile auswirken können.

Das richtige Material finden

Zu den kundenseitigen und anwendungsspezifischen Anforderungen für das in dieser Studie untersuchte Autoclavwerkzeug zählten:

  • Zyklische Autoclavierbarkeit bei 350 °F (177 °C) und einem Druck von 85 bis 90 psi (5,8 bis 6,2 bar)
  • Widerstandsfähigkeit für mehr als 10 Autoclavierzyklen und dauerhafte Vakuumintegrität
  • Maßhaltigkeit im engen Toleranzbereich von ± 0,005 Zoll (± 0,127 mm) über die gesamte Werkzeugfläche vor, während und nach dem Autoclavieren

Sabic empfahl LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1 Compound zur Validierung, da es ein Ultem-Polymer – bewährt in Anwendungen der Luft- und Raumfahrtindustrie für seine hohe Wärmebeständigkeit – mit einem Füllstoffpaket für kontrollierbare Maßhaltigkeit kombiniert.

Wie der Versuch abgelaufen ist

Es wurden mehrere Werkzeuggeometrien untersucht, um die relevanteste für eine Vielzahl von Einsatzbereichen und Anwendungen auszuwählen. Die für diese Studie gewählte Werkzeuggeometrie ähnelt der von Werkzeugen für Militärflugzeugteile. Das Werkzeug wurde ausreichend überdimensioniert, um die Bearbeitung der formgebenden Oberflächen entsprechend der erforderlichen Endabmessungen zu ermöglichen (siehe Bild 1).

Bild 1 zeigt das Werkzeug.
Bild 1 zeigt das Werkzeug.
(Bild: Sabic)

  • Das Werkzeug wurde im Polymer Processing Development Center (PPDC) von Sabic in Pittsfield, Massachusetts (USA) auf einer Big-Area-Additive-Manufacturing (BAAM)-Maschine von Cincinnati Inc. hergestellt. Der BAAM-Drucker arbeitet mit einem Einschneckenextruder und sechs Heizzonen.
  • Jede Zone kann bis auf 500 °C erwärmt werden, und die Schnecke ist zur Verarbeitung gefüllter/verstärkter Polymercompounds ausgelegt. Das 140-lagige Werkzeug wurde in 2,5 Stunden gedruckt. Es hat eine doppelte Außenwand und ein gestaffeltes Füllmuster (siehe Bild 2).
  • Das LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1 Compound von Sabic zeigte gleichmäßige und stabile Raupenabmessungen während des Drucks, bei glatter Raupenoberfläche. Der nach dem Druck gemessene Verzug war über das gesamte Werkzeug hinweg sehr gering.
  • Da LFAM sehr konturnahe Druckergebnisse liefert, erforderten die endgültigen Abmessungen nur einen einzigen Bearbeitungsschritt (siehe Bild 3).
  • Anschließend wurde das bearbeitete Werkzeug zur Beschichtung mit TD Seal HT an Tru-Design LLC in Knoxville, Tennessee (USA) geschickt. Tru-Design ist seit mehreren Jahren in der Entwicklung von Nieder- und Hochtemperaturbeschichtungen für LFAM-Werkzeuge aktiv. TD Seal HT ist eine dünne Spritzbeschichtung, die auf LFAM-Hochtemperatursubstraten haftet, ohne beim zyklischen Autoclavieren zu reißen. Sie sorgt für eine glatte und vakuumdichte Werkzeugoberfläche.

Bild 2: Schematische Darstellung der internen Rippenstruktur des Werkzeugs.
Bild 2: Schematische Darstellung der internen Rippenstruktur des Werkzeugs.
(Bild: Sabic)

Bild 3: Nachbearbeitetes Werkzeug aus Thermocomp-AM-EZ006EXAR1-Compound.
Bild 3: Nachbearbeitetes Werkzeug aus Thermocomp-AM-EZ006EXAR1-Compound.
(Bild: Sabic)

Testphase 1

Die erste Testphase des fertigen Werkzeugs fand am UDRI statt. Zunächst wurde mit einem Creaform-Handy-Scan-3D-Handscanner ein digitales Abbild der Oberfläche erzeugt, um eine Grundlage für spätere Vergleichsscans zu erhalten. Nach dem Scannen wurde die Oberfläche vakuumverpackt. Eine Sichtprüfung ergab nur einen minimalen Vakuumverlust, was darauf hinweist, dass das TD Seal HT Verfahren eine gute Versiegelung bietet. Anschließend wurde das Werkzeug in einem Ofen auf 350 °F (177 °C) erwärmt. Nach vierstündiger Durchwärmung wurde es aus dem Ofen herausgenommen, und die Vakuumintegrität wurde ein zweites Mal geprüft. Erneut konnte kein nennenswerter Vakuumverlust festgestellt werden.

Testphase 2

Die zweite Testphase – zyklisches Autoclavieren – fand im PPDC bei Sabic statt. Bei jedem Zyklus wurde eine Verbundwerkstoffauflage auf das Werkzeug platziert (Bild 4) und autoclaviert, um die Verbundstruktur auszuhärten.

Bild 4: Werkzeug-Setup vor dem Autoclavieren.
Bild 4: Werkzeug-Setup vor dem Autoclavieren.
(Bild: Sabic)

Für die Verbundwerkstoffauflage und den Autoclavierprozess kamen u. a. zwei Lagen RM 2005 zum Einsatz, ein von Renegade Materials Corporation gefertigtes Epoxy/Carbon-Prepreg. Bild 5 illustriert den Aufbau.

Jeder Autoclavzyklus wurde in fünf Schritten durchgeführt:

  • Schritt 1: 60 Minuten Vakuum bei Raumtemperatur
  • Schritt 2: Erwärmung um auf 225 ± 5 °F (107 ± 2,8 °C) bei einem Druck von 30 ± 5 psig (2 ± 0,35 bar)
  • Schritt 3: Weitererwärmung um 5 °F (2,8 °C) pro Minute auf 350 ± 5 °F (177 ± 2,8 °C) bei einem reduziertem Druck von 85 ± 5 psig (5,86 ± 0,35 bar), und Entlüftung in die Atmosphäre
  • Schritt 4: Bei Erreichen von 350 ± 5 °F (177 ± 2,8 °C), Durchwärmung bei dieser Temperatur für 120 bis 135 Minuten
  • Schritt 5: Abkühlen um 5 °F (2,8 °C) pro Minute, und Druckentlastung bei Erreichen von 302 °F (150 °C)

Bild 5: Aufbau des Prepreg-Materials.
Bild 5: Aufbau des Prepreg-Materials.
(Bild: Sabic)

Diese Vorgehensweise wurde fünf Mal wiederholt. Nach dem fünften Zyklus wurde das Werkzeug von UDRI mit einem Creaform Handy-Scan-3D-Handscannner gescannt. Die Analyse des Scans ergab, dass 99,7 % der Werkzeugoberfläche mit einer Toleranz von ± 0,004 Zoll (0,1 mm) im Bereich der Basismessung lag, die in Testphase 1 vorgenommen worden war, wie der grün schattierte Bereich in Bild 6 zeigt. Dieser Prozentsatz entspricht drei Standardabweichungen der Datenverteilung gegenüber der Basismessung.

Bild 6: Scan der Werkzeugoberfläche nach fünf Autoclavzyklen zum Vergleich mit der Basismessung.
Bild 6: Scan der Werkzeugoberfläche nach fünf Autoclavzyklen zum Vergleich mit der Basismessung.
(Bild: Sabic)

Testphase 3

In Testphase 3 wurde das Werkzeug fünf weiteren Autoclavierzyklen unterzogen. Die Vorgehensweise war die gleiche wie in Testphase 2, nur der Autoclavierdruck wurde von 85 psig (5,85 bar) auf 100 psig (6,89 bar) erhöht. Nach dem fünften Zyklus wurde das Werkzeug erneut gescannt.

Die Ergebnisse im Vergleich zur Basismessung waren ähnlich wie die nach der ersten fünf Autoclavierzyklen: 99,7 % der Werkzeugoberfläche lag mit einer Toleranz von ± 0,004 Zoll (0,1 mm) im Bereich der Basismessung, siehe Bild 7.

Bild 7: Scan der Werkzeugoberfläche nach 10 Autoclavzyklen zum Vergleich mit der Basismessung.
Bild 7: Scan der Werkzeugoberfläche nach 10 Autoclavzyklen zum Vergleich mit der Basismessung.
(Bild: Sabic)

Testphase 4

In der abschließenden vierten Testphase wurde das Werkzeug 10 weiteren Autoclavierzyklen unterzogen, wobei die gleiche Auflage zum Einsatz kam wie in Testphase 3. Anschließend wurde das Werkzeug wieder von UDRI gescannt.

Der Scan nach dem insgesamt 20. Zyklus wurde mit der ursprünglichen Basismessung verglichen. Wie schon in den vorangegangenen Vergleichen lag 99,7 % der Werkzeugoberfläche mit einer Toleranz von ± 0,004 Zoll (0,1 mm) im Bereich der Basismessung, siehe Bild 8.

Bild 8: Scan der Werkzeugoberfläche nach 20 Autoclavzyklen zum Vergleich mit der Basismessung.
Bild 8: Scan der Werkzeugoberfläche nach 20 Autoclavzyklen zum Vergleich mit der Basismessung.
(Bild: Sabic)

Ergebnisse und Ausblick

Nach den ersten fünf Autoclavierzyklen wies das Werkzeug eine minimale Bewegung von ± 0,004 Zoll (0,1 mm) gegenüber der Basismessung auf. Weitere 15 Scans zeigten ein ähnliches Bild, was darauf hinweist, dass die die aufgetretene Bewegung ausschließlich während der ersten fünf Autoclavierzyklen entstanden war.

Danach hatte sich das Werkzeug stabilisiert und zeigte während der restlichen Autoclavierzyklen keine weitere Bewegung. Für diese Versuche wurden nur bleibende Verformungen des Werkzeugs erfasst und keine temporäre Bewegung, die während des tatsächlichen Autoclavierens vorkommen kann.

Reduziert man die Akzeptanzschwelle auf 0,001 Zoll (25.4 µm), dann wird die Bewegungsrichtung der Werkzeugoberfläche sichtbar. Rot in Bild 9 zeigt Bewegung nach außen, Blau nach innen. Dabei ist kein markanter Trend erkennbar, mit Ausnahme der Bewegung nach innen entlang der Peripherie des Werkzeugs, die jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Oberflächenverschleiß durch das Abschaben und Entfernen des Vakuumdichtbands zurückzuführen ist.

Bild 9: Werkzeugoberfläche nach 20 Aushärtezyklen zum Vergleich mit dem ursprünglichen Zustand, mit 2,54 µm (0,001") Abweichung als Akzeptanzschwelle.
Bild 9: Werkzeugoberfläche nach 20 Aushärtezyklen zum Vergleich mit dem ursprünglichen Zustand, mit 2,54 µm (0,001") Abweichung als Akzeptanzschwelle.
(Bild: Sabic)

Fazit

  • Nach fünf standardisierten Autoclavierzyklen bei 350 °F (177 °C) wies das Werkzeug eine Bewegung von weniger als ± 0,004 Zoll (0,1 mm) auf. Dies liegt im Bereich der üblichen Toleranz von ± 0,005 Zoll (0,127 mm) in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Nach weiteren 15 Zyklen war fast keine weitere Bewegung aufgetreten. Nach dem Kenntnisstand der Autoren stellt dies die höchste Anzahl von Autoclavierzyklen dar, die jemals anhand eines LFAM-Werkzeug auf der Basis von Polyetherimid (PEI) durchgeführt und ausgewertet wurden.
  • Diese Studie zeigt, dass das LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1 Compound ein geeignetes Rohmaterial für Verbundwerkzeuge ist. Im weiteren Sinn bestätigt sie auch die Eignung von LFAM als Verfahren zur Fertigung von Autoclavwerkzeugen, die mindestens 20 standardisierte Autoclavierzyklen standhalten, ohne inakzeptable Maßabweichungen zu verursachen.
  • Das Team erkennt die Notwendigkeit, im weiteren Vorgehen die effektiven Zeit- und Kosteneinsparungen von LFAM gegenüber etablierten Werkzeuglösungen zu quantifizieren. Erste Schätzungen lassen jedoch signifikante Einsparungen an Zeit und Kosten erwarten. Dies bleibt der Validierung in künftigen Untersuchungen vorbehalten.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal Konstruktionspraxis veröffentlicht.

* Walt Thompson, Sabic; Scott R. Huelskamp; University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio, USA), Tim Allessio, Sabic; Kim Ly, Sabic

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