RadTech: Die Strahlungshärtung und der 3D-Druck
Eine Technik startet durch
Der 3D-Druck, der auch als additive Fertigung bezeichnet wird, hat es in sehr kurzer Zeit weit gebracht. Das ist nicht zuletzt dem Leistungspotenzial der UV- und ES-Härtung zu verdanken.
UV- und ES-Strahlungshärtung werden bereits seit vielen Jahren angewendet und erlauben das schnelle und effiziente Trocknen von Holzfußböden und Bautenanstrichen. Seit kurzem gehört auch das Aushärten von Druckfarben, insbesondere bei Etiketten und Verpackungen, zum Leistungsumfang. Hiermit kann die Geschwindigkeit der Druckmaschinen erhöht werden. Doch das ist noch nicht alles: Heute ist es mit Hilfe der UV/ES-Technologie sogar möglich, ausgehend von einer digitalen Datei dreidimensionale Objekte aus Kunststoff zu fertigen. Der 3D-Druck steht jetzt im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit einer deutlich höheren Anzahl von Branchen, die von Medizinprodukten bis zu Spielzeug, Modeschmuck, Elektronik und Fahrzeugteile reicht. Alle diese neuen Anwendungen nutzen die Strahlungshärtung.
Einem kürzlich veröffentlichten Bericht der US-amerikanischen Marktforschungsagentur MarketsandMarkets1 zufolge wächst der weltweite Markt für 3D-Druck/additive Fertigung, der 3D-Drucker, Druckmaterial und Lösungsanbieter umfasst, sehr schnell. Es wird erwartet, dass er bei einer für 2014 bis 2020 angenommenen jährlichen Gesamtwachstumsrate von 14,37 % bis zum Jahr 2020 ein Volumen von 8,43 Milliarden US-Dollar erreicht.
Traditionelle industrielle Beschichtungen, insbesondere von Holz als dem größten Endanwendermarkt für UV-härtende Anstriche, bleiben der weltweit am schnellsten wachsende Sektor für die UV-Härtung, dicht gefolgt von der Elektronik. Die UV-Harze selbst bestimmen die Eigenschaften des Endprodukts und die Beschichtungstechnologie hat die Grundlagen dafür gelegt, dass die Strahlungshärtung in den neuen Markt für 3D-Druck vordringen konnte. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, die über die höhere Geschwindigkeit, die größere Effizienz und die erhebliche Kostensenkungen hinausgehen, die bislang die Gründe waren, aus denen die Unternehmen diese Technologie in der einen oder anderen Form anfänglich übernommen hatten.
Auswahl des optimalen Verfahrens
Welches Verfahren für den 3D-Druck/die additive Fertigung ausgewählt wird, hängt davon ab, wie die festen oder flüssigen Werkstoffe zum Aufbau einer dreidimensionalen Struktur aufgebracht werden. Flüssige Systeme werden zumeist mit Hilfe der UV-Strahlung polymerisiert. Hierbei wird die flüssige Formulierung über Düsen ausgegeben und mit UV-Strahlung gehärtet. Dieser Prozess wiederholt sich so oft, bis das Objekt fertiggestellt ist. Eine weitere interessante Entwicklung betrifft aktuell die LED-UV-Härtung, die ein schnelleres Aushärten ermöglicht, zurzeit aber nur eine begrenzte Ausgangsleistung bietet. Ebenfalls angeboten wird die Laserhärtung.
Bei der Stereolithographie (SLA) als der am längsten etablierten 3D-Technologie wird ein Produkt in einem Bad mit flüssigem Polymer vertikal aufgebaut und Schicht für Schicht mit einem Laserstrahl gehärtet. Für die DLP-Technologie (Digital Light Projection) wird das Bild des gewünschten Querschnittes eines Objekts mit Hilfe eines Projektors, wie er in ähnlicher Form auch für Geschäftspräsentationen verwendet wird, in ein Bad mit einem lichtaushärtenden Kunststoff (Photopolymer) projiziert. Das Licht härtet jeweils nur die vorgegebene Fläche aus. Bei dem jüngsten Verfahren, dem Multi-Jet Modelling (MJM) oder 3D-Inkjetdruck, werden extrem dünne Polymerschichten aus einem Mehrdüsen-Druckkopf auf eine Unterlage aufgebracht, wobei jede Schicht einzeln UV-gehärtet wird.
Damit entsteht eine vollständige, vernetzte Kunststoffstruktur, die von einem wachsähnlichen Material gestützt wird. Dieses erlaubt, komplexe geometrische Formen und Überhänge zu erstellen und ergibt ein sehr hartes und stabiles Endprodukt, das verschiedene Werkstoffe und Farben miteinander kombinieren kann. So ist es beispielsweise möglich, ein kleines, starres Modellauto aus Kunststoff inline mit weichen Gummireifen auszustatten. Diese physikalischen Eigenschaften empfehlen den 3D-Inkjetdruck in Verbindung mit dem entsprechenden Materialmix für den schnell verfügbaren Modellbau (Rapid Prototyping) in zahlreichen Industriezweigen und für die verschiedensten Anwendungen.
Medizintechnik
Die Auswirkungen des 3D-Drucks sind auch in der Medizintechnik-Branche zu spüren. Beispiele hierfür sind Hörgeräte, Orthopädie (Prothesen) und die Zahnmedizin. Zudem fördert dieses Verfahren die Entwicklung neuer Produkte, da es das Rapid Prototyping und das Erstellen medizinischer Modelle ermöglicht. Auch das Human Tissue Engineering ist ein Bereich, in dem Fortschritte zu verzeichnen sind und zahlreiche Experimente für weitere Innovationen durchgeführt werden.
Natürlich müssen die verwendeten Werkstoffe zugelassen und ihre Sicherheit für den begrenzten Kontakt mit der Haut sowie für implantierbare Anwendungen nachgewiesen sein. Gegenwärtig sind nur wenige Werkstoffe, wie Nylon 11 und Polylactide (PLA) für den begrenzten Kontakt mit Haut sowie Titan und Edelstahl für Implantationen zugelassen. Weitere Fortschritte in diesem Bereich sind von erfolgreichen Tests mit Werkstoffen, wie Magnesium, Keramik und Superlegierungen, abhängig.
Luftfahrt- und Kraftfahrzeugindustrie
Die Luftfahrtindustrie profitiert ebenfalls von der additiven Fertigung mit UV-Härtung. Da diese Branche naturgemäß nur sehr kleine Stückzahlen benötigt, kann diese Technologie sehr kostengünstig eingesetzt werden. Sie ermöglicht die schnelle Bereitstellung von Produkten ohne die hohen Kosten und die langen Lieferzeiten, die ansonsten mit der Anfertigung von Präzisionsformen und anderer Werkzeuge verbunden sind. Aus den gleichen Gründen erfreut sich der 3D-Druck zunehmender Popularität in der Automobilindustrie. Ein gutes Beispiel dafür ist Opel. Das Unternehmen erstellt Montagehilfen im 3D-Druckverfahren, um die von OEMs gelieferten Fahrzeug- und Zubehörteile korrekt zu platzieren. Selbst Formel-1-Fahrzeuge werden mit im 3D-Druckverfahren hergestellten Karosserieteilen ausgestattet.
Konsumgüter
Natürlich ist der Konsumgütermarkt an einer Technologie interessiert, die einen professionellen, hochwertigen und sogar individuell anpassbaren 3D-Druck ermöglicht. Bereits heute stehen Modellautos, Sportartikel, Modeschmuck, Gepäckartikel, Werbegeschenke und viele andere Produkte, die mit einem 3D-Drucker hergestellt wurden, in den Regalen der Einzelhändler. Der Konsumgütermarkt hat sogar sein eigenes Produktionssegment: 3D-Drucker für den Heimgebrauch. Diese basieren hauptsächlich auf der thermoplastischen Extrusion und sind heute heiß begehrte Artikel auf dem Markt für Technologiegüter. Allerdings mangelt es ihnen natürlich an der Detailgenauigkeit und Geschwindigkeit der professionellen 3D-Drucker.
Trends und Innovationen
Das Streben nach einer immer besseren Qualität und die Fähigkeit der Maschinen, eine immer breitere Palette von Werkstoffen zu nutzen, sind immer noch die wichtigsten Triebfedern für Innovationen. Es wird auch intensiv an der Entwicklung der Software zum Scannen sowie an den Harzen und Geräten zum 3D-Inkjetdruck gearbeitet. Daneben konzentriert sich die Industrie darauf, die Fertigungstechnologie an wichtige neue Werkstoffe anzupassen.
Ebenfalls im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit stehen Maschinen, die mehrere Materialien möglichst sparsam und verlustfrei ausnutzen und die bedarfsgesteuerte (On-Demand) Fertigung von kundenspezifischen Artikeln und Kleinauflagen ermöglichen. Weitere Anwendungen beziehen sich auf die Gewichtsreduzierung von Produkten, die Nutzung der gestalterischen Spielräume sowohl in Hinblick auf die Materialzusammensetzung als auch die Geometrie.
Selbst der Einsatz des 3D-Drucks in konventionellen Verarbeitungsketten der Industrie ist möglich. Die UV-Härtung ist eine wichtige Voraussetzung für weitere Innovationen in dieser Technologie, da sie das Erstellen von Werkzeugpfaden erleichtert und kleinere Dateien, ein breiteres Spektrum von Werkstoffen und Chemikalien als andere Verfahren sowie eine größere Detailgenauigkeit ermöglicht. Angesichts sinkender Kosten für die Unterhaltungs- und Haushaltselektronik wird die Vielseitigkeit der UV-basierten Systeme den Markt für den 3D-Druck weiter vergrößern.
Nachhaltigkeit
Heute gibt es wichtige Initiativen, um eine nachhaltige Plattform für den 3D-Druck zu schaffen. Dabei geht es um das Erfassen der Kunststoffe für das Recycling, um deren Wiederverwendung für den 3D-Druck und auch darum, recycelte Kunststoffe als wichtige Quelle für die Fäden von 3D-Druckern zu nutzen. Der zunehmende Erfolg dieser Technologie bedeutet auch, dass es jetzt wirklich erforderlich ist, internationale und europäische Standards für die additive Fertigung festzulegen.
Das EU-Projekt SASAM2 zur Standardisierung in der additiven Fertigung hat bereits einen wegweisenden Maßnahmenplan erstellt. Die internationale 3D Printing Association3 ist ebenfalls bemüht, die weltweiten Aktivitäten zu fördern. Und natürlich sind die Mitglieder von RadTech Europe wichtige Partner zur Förderung der Kompetenzen und Vorzüge der Strahlungshärtung auf diesem rasant wachsenden Markt . Sie stellen die Chemikalien, Verbrauchsmaterialien und Technik zur Verfügung, die die Sicherheitsanforderungen und sonstigen Vorgaben der Regulierungsbehörden erfüllen.
Eine dynamische Zukunft?
Ob der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung mit der Zeit eine ernst zu nehmende Konkurrenz für traditionelle Fertigungsverfahren auf den Massenmärkten wird, bleibt abzuwarten. Allerdings baut die technische Lieferkette der Industrie ihre Fähigkeit aus, Produkte wie Laptops, Tablets und andere Digitalgeräte zu erstellen, die komplexe Komponenten aus verschiedenen Materialien umfassen und eine preiswerte und schnelle Fertigung erlauben. Hier ist die UV-Härtung unverzichtbar. Die Strahlungshärtung hat dort wie in vielen anderen großen Branchen mit Sicherheit eine dynamische Zukunft.
