Evonik VESTOSINT: Serienproduktion mit High Performance Polymers

Ein im 3D-Druck-Verfahren und mit Einsatz von VESTOSINT® hergestelltes Luftführungsteil für den Motorraum. (Bild: Evonik)

Sylvia Monsheimer
Neue 3D-Druck Technologien, Evonik Ressource Efficiency GmbH.

„Kooperationen öffnen die Tür zu einem der spannendsten Zukunftsmärkte für Hochleistungspolymere, denn ressourcensparende Massenproduktion ist nur durch extrem flexible und hoch vernetzte digitale Fertigungssysteme möglich.“

Ein Paradigmenwechsel ist im Gang in den Fertigungsstätten der Industrie: Normalerweise muss Kunststoffmaterial geschmolzen und in vorgegebene Formen gegossen oder gepresst werden, damit ein entsprechendes Element entsteht. Additive Verfahren setzen da an, wo die Formgebung an ihre Grenzen stößt.

Bislang kamen Additive Prozesse vor allem für Prototypen und Modelle zum Einsatz. Die Vorteile liegen auf der Hand: Ist das Ergebnis nicht optimal, wird schlicht der Datensatz geändert und neu gedruckt. Auch überall dort, wo Produkte nur in kleinen Stückzahlen benötigt werden, ist die herkömmliche Fertigung in der Regel zu aufwendig und zu teuer.

Modellhafte Bauteile hergestellt in der 3D-Druck Multi Jet Fusion™–Technologie von HP. (Bild: HP Inc.)

Flugzeugbau und Medizintechnik treiben 3D-Druck voran

Seit wenigen Jahren etabliert sich die neue Art der Formgebung auch in der Serienfertigung. Zu den wichtigsten Treibern gehören Flugzeugbau und Medizintechnik. Beim Flugzeugbau müssen Teile leicht, sehr kompakt, hochfunktional und zudem hitzebeständig sein. Sowohl Boeing als auch Airbus setzen bereits Komponenten aus dem Drucker ein: Mehr als 30 Bauteile des 787 Dreamliner von Boeing werden laut dem Berater Terry Wohlers durch selektives Lasersintern hergestellt. Airbus hat bereits erfolgreich einen bionisch geformten Kabinenhalter im 3D-Druck gefertigt. Er dient dazu, den Crew-Ruheraum an Bord des neuen Langstreckenflugzeugs A350 XWB zu befestigen – und ist seit 2014 im Einsatz.

In der Medizintechnik spielt ein anderer Faktor eine Rolle: Kein Mensch gleicht dem anderen. Daher müssen Prothesen, Hilfsmittel oder auch Operationsgeräte individuell vermessen und angepasst werden. Über 3D-Druck entstehen beispielsweise kleine Bohr- und Sägehilfen für Knieoperationen oder Hörgeräte.

Für Kunststoffe ist die Additive Fertigung ein vielversprechender Markt. Sie sind beständig, leicht schmelzbar, in ihren Eigenschaften ausgesprochen variabel und prädestiniert für diese zukunftsweisende Technologie. Mit Polyamid 12 (PA12) ist Evonik einer der weltweit führenden Anbieter von Pulvern für den 3D-Druck – mit VESTAKEEP® AM 9000 bietet der Konzern sogar ein PEEK-Material (Polyetheretherketon) für den Einsatz im Hochtemperaturbereich.

2015 hat sich Evonik Zugang zu einem hochinnovativen Marktsektor der Wearables, der am Körper getragenen Elektronik, verschafft: Das Unternehmen beteiligt sich über seine Venture-Capital-Einheit an dem kanadischen Start-up Wiivv Wearables Inc.

Wiivv produziert aus PA12 biomechanisch optimierte Einlegesohlen und gehört zu den Ersten, die Additive Verfahren für die individualisierte Massenproduktion nutzen. Für die Sohlen erstellt eine Software anhand von Fotos zunächst eine 3D-Form des Fußes. Die Form wird dann in Daten übersetzt, die ein entsprechender Drucker sofort verarbeiten kann. Künftig sollen zusätzlich elektronische Sensoren in die Sohlen integriert werden. Damit lassen sich Bewegungsabläufe etwa im Profisport erfassen und verbessern.

Attraktives Wachstum: Laut Prognosen wächst der Markt für 3D-Druck jährlich um circa 25 %. Treiber sind Technologien auf Basis von Kunststoffpulver, wie selektives Lasersintern, und auf Basis von Metall. (Quelle: A.T.Kearney)

Schnelle Durchdringung des Marktes erwartet

Marktforscher prognostizieren, dass der Weltmarkt der Additiven Fertigung in den Jahren 2015 bis 2020 um ca. 25 % pro Jahr wachsen wird. Einiges spricht tatsächlich für eine schnelle Marktdurchdringung. Viele Firmen loten daher im Moment aus, wo die Grenzen der Wirtschaftlichkeit herkömmlicher Verfahren liegen und für welche Produkte es lohnt, auf Additive Fertigung umzustellen.

In der Begeisterung über den ganz neuen Weg zu hochfunktionalen Bauteilen wird jedoch leicht übersehen, dass es nicht nur um den Faktor Zeit geht. Damit Additive Verfahren wettbewerbsfähig und wirtschaftlich werden, spielen andere Punkte ebenfalls eine entscheidende Rolle: Wie reproduzierbar sind die Eigenschaften eines additiv gefertigten Produkts? Wo werden Standards für Material und Maschine gebraucht? Welche Verfahren und welche Werkstoffe setzen sich durch?

Für Bauteile aus Polyamid haben sich bislang pulverbasierte Verfahren (Powder Bed Fusion) im Markt etabliert. Damit werden derzeit einige Serienprodukte sowie Testbauteile und viele Funktionsprototypen hergestellt.

Neue Polyamide für moderne Sinterverfahren

Evonik hat Polymere und Additive für verschiedene 3D-Druck-Verfahren im Portfolio. Das Geschäftsgebiet High Performance Polymers konzentriert sich aber insbesondere auf die Weiterentwicklung der Polyamidpulver. Sie sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften, der chemischen Resistenz und des hohen Schmelzpunktes ideal für derzeit verfügbare Sinterprozesse und werden am Markt weiter an Bedeutung gewinnen. Daher baut der Konzern seine Kapazitäten aktuell aus. Eine neue Produktionsstraße in Marl soll ab Ende 2017 die Jahreskapazitäten für spezielle VESTOSINT® Pulver um 50 % steigern.

High Performance Polymers für Serienproduktion

Die Experten von High Performance Polymers loten das Potenzial auch anderer Polyamide für die werkzeuglose Fertigung aus. Neu entwickelt wurde beispielsweise das Polyamid 613. Sein höherer Schmelzpunkt sorgt für besonders gute Temperaturbeständigkeit, zudem zeigt das Material eine exzellente Steifigkeit, verbunden mit optimaler Bruchdehnung. Produkte aus PA613 sind daher extrem fest, aber nicht spröde und somit ideal für alle Mobilitätsanwendungen, bei denen Teile leicht und präzise, zugleich hoch belastbar und bruchsicher sein müssen. Derzeit wird der neue 3D-Werkstoff bei Kunden bemustert. Erfolgreich getestet wurde PA613 bereits im Motorsport: Ein Luftkanal mit integriertem Wärmeschild überstand problemlos mehrere Rennen in einem Lotus-Rennwagen.

Damit die werkzeuglose Fertigung serienreif wird, braucht es nicht nur das richtige Material und ein schnelles Verfahren. Zusätzlich ist entscheidend, dass Qualität und Zuverlässigkeit der gesamten Wertschöpfungskette sichergestellt werden. Stabile Prozesse, eine gleichbleibend hohe Qualität des Werkstoffs und reproduzierbare Eigenschaften der gefertigten Bauteile haben aus Sicht der Anwender höchste Priorität.

Das deutsche Unternehmen EOS, Marktführer bei Anlagen für das Lasersintern und langjähriger Partner von Evonik, hat daher im Juli 2016 eine Qualitätsinitiative gestartet. Sie umfasst alle technischen Faktoren von Material, Prozess und Lieferkette, die direkt Einfluss auf die Produktqualität haben. Evonik beteiligt sich an dieser Initiative und wird umfassendes Know-how und bewährtes Qualitätsmanagement bei Rohstoffen und Pulvertechnologie einbringen.

Qualität und Normen für Serienreife

Oft wurde bislang vernachlässigt, dass Qualität, Normen und Standards keine Anforderungen einer alten, überholten Industrie sind, sondern entscheidende Faktoren auch für eine digitalisierte und ausgesprochen dynamische Branche. Die Erarbeitung von Normen, insbesondere im internationalen Kontext, braucht Zeit. In den vergangenen zwei Jahren wurden wichtige Spezifikationen auf den Weg gebracht, und die Zahl der verabschiedeten oder in Arbeit befindlichen Standards ist auf rund zwei Dutzend gewachsen. Allerdings gibt es für den Einsatz von Polymeren im 3D-Druck bislang erst wenige Normen, vor allem für Prüfverfahren.

Auf dem Weg zu einer werkzeuglosen Serienfertigung sind daneben noch andere Herausforderungen zu meistern. Die Wirtschaftlichkeit der Verfahren muss deutlich gesteigert werden, beispielsweise durch höhere Recyclingraten des Materials und konstant kurze Fertigungszeiten. Die Palette der verfügbaren und erprobten Werkstoffe muss breiter werden. Auch fehlt es an scheinbar ganz simplen Erfahrungen: Sind vor- und nachgeschaltete Verarbeitungsprozesse für 3D-Bauteile notwendig, und wie müssen sie aussehen?

Vor allem die Kooperationen mit Anlagenherstellern und 3D-Anwendern sieht Evonik als Türöffner zu einem der spannendsten Zukunftsmärkte für technische Kunststoffe und Hochleistungspolymere. Diese Mühe lohnt sich, denn die Richtung ist vorgegeben: Eine individualisierte und zugleich ressourcensparende Massenproduktion ist nur durch extrem flexible und hoch vernetzte digitale Fertigungssysteme möglich. Dazu trägt auch bei, dass Jungforschern und Nachwuchskräften in der Industrie die Gesetze der virtuellen Welt vertraut und der feste Glaube an digitale Daten in die Wiege gelegt sind. Die Etablierung einer werkzeuglosen Fertigung ist daher auf längere Sicht keine Frage, sondern Programm.