Thermisches Beschichten von 3D-Kunststoffteilen

Kunststoff-3D-Druck und thermisches Spritzen – eine synergetische Verbindung

Thermischer Spritzprozess
Thermische Spritzprozesse stellen bei der Kunststoffbeschichtung eine große Herausforderung dar, bieten aber in der Kombination funktionell enorme Vorteile (Bild: rhv)

Ein neues Schichtsystem ermöglicht es, 3D-gedruckte Kunststoffbauteile thermisch zu beschichten. Hierdurch können sowohl Metalllegierungen wie Edelstahl und Molybdän als auch Hartmetalle wie Wolframcarbid-Cobalt oder Oxidkeramiken wie Zirkonoxid auf Kunststoffe appliziert werden.

Kunststoffe weisen im Allgemeinen im Vergleich zu Metallen und Keramiken eine niedrige Temperaturbeständigkeit und hohe Wärmeausdehnungen auf. Besonders thermoplastische Kunststoffe sind anfällig gegenüber hohen Temperaturen. Die beiden am häufigsten angewandten 3D-Druck-Technologien – SLS-Verfahren und FDM-Verfahren – nutzen solche Kunststoffe. Dies macht die thermische Beschichtung zu einer Herausforderung, da hierbei heiße Spritzpartikel gegen die Bauteiloberfläche prallen. Es müssen also zwei gegensätzliche Werkstoffeigenschaften, sprich temperatursensibel und temperaturbedürftig, konstruktiv vereint werden. Andernfalls kommt es bei falschen Spritzparametern zu einer zu starken Temperaturbelastung und der Kunststoff verbrennt oberflächlich – eine Haftung der thermischen Spritzschicht wird unmöglich.

Rybak + Hofmann rhv-Technik hat deshalb ein Schichtsystem entwickelt, das eine thermische Beschichtung von additiv gefertigten Bauteilen ermöglicht. Hierdurch können sowohl Metalllegierungen wie Edelstahl und Molybdän als auch Hartmetalle wie Wolframcarbid-Cobalt oder Oxidkeramiken wie Zirkonoxid auf Kunststoffe appliziert werden. Das erlaubt die Ausnutzung der Vorteile des leichten 3D-Druck-Kunststoffbauteils und dessen funktionelle Optimierung durch verschleiß- oder temperaturschützende Schichten.

rhv Prozessentwicklung
rhv ist in der Prozessentwicklung sehr aktiv und verfügt über eine eigene Konstruktionsabteilung für besondere Aufgabenstellungen (Bild: rhv)

Generisch hergestellte Kunststoffteile thermisch beschichten

Zur Verfügung stehen bei rhv-Technik Lichtbogenspritzverfahren, Flammspritzverfahren, aber auch Hochgeschwindigkeitsspritzverfahren, wodurch zusätzlich zum Material eine Vielfalt unterschiedlicher Schichteigenschaften ermöglicht wird. Zudem können die Bauteile nach dem Prozess bearbeitet werden, zum Beispiel durch Schleifen. Bei der Konstruktion des Kunststoffbauteils ist darauf zu achten, dieses von vorneherein spritzgerecht zu konstruieren. Dazu gehört insbesondere das Vermeiden scharfer Kanten. Auch sollten möglichst Kunststoffe verwendet werden, deren Sauerstoffindex höher als 21 Prozent ist und die eine gute Benetzbarkeit aufweisen. Mit PLA und PA12 können allerdings die am meisten genutzten Kunststoffe des FDM-, beziehungsweise. SLS- Verfahrens beschichtet werden. Interessant ist außerdem das Drucken von Bauteilen aus wasserlöslichen Kunststoffen und diese thermisch zu beschichten. Durch das anschließende Auflösen des Kunststoffs und eine sogenannten Schichttransplantation lassen sich dünnwandige Hohlkörperstrukturen herstellen, die durch andere Fertigungsverfahren nur schwer erzeugbar sind.

3D-Druck-Challenge rhv
rhv hat bei der 3D-Druck-Challenge der Hochschule Neu-Ulm mit seinem Kunststoff-Beschichtungssystem den ersten Preis gewonnen (Bild: rhv)

Anteil generisch hergestellter Bauteile nimmt zu

Der überwiegende Anteil der im thermischen Spritzverfahren beschichteten Bauteile wird bisher zerspanend oder in Gießverfahren hergestellt. Diese Verhältnisse könnten sich aber in naher Zukunft ändern, denn der 3D-Druck ist in allen Branchen auf dem Vormarsch. Auch wenn sich viele konventionelle Fertigungsmethoden der Zerspanung metallischer Bauteile auch mittelfristig bei größeren Stückzahlen nicht so ohne weiteres ersetzen lassen werden, so stellt die Herstellung 3D-gedruckter Bauteile eine attraktive Alternative besonders bei geometrisch komplexen Bauteilen dar – oder wenn der Faktor Gewicht eine tragende Rolle spielt.

In den oben genannten Anwendungsfällen ging es immer um die Frage der grundsätzlichen Beschichtbarkeit, also der optimalen Haftfestigkeit der thermischen Spritzschicht auf einem kunststoffgedrucktem 3D-Bauteil. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Herstellung 3D-gedruckter Bauteile, auf denen eben nichts haften soll, die aber trotzdem Hitzebeständigkeitseigenschaften mitbringen müssen. Anwendungen wären beispielsweise Abdeckungen von metallischen Kundenbauteilen für das thermische Spritzen, die aus Umwelt- und Nachhaltigkeitsgründen mehrmals verwendet werden sollen und das bisher gebräuchliche Abdecktape ersetzen.

Wie immer geht es bei Konstruktionsfragen zum einen um die richtige Auswahl geeigneter 3D-Druckmaterialien, Spritzzusätzen, Substratvorbereitungen und Spritzparametern, um entweder eine möglichst haftende funktionelle Schicht zu realisieren oder eben speziell nicht haftende Kunststoffe auszuwählen. Zum anderen geht es aber auch um die Konstruktion der Maskierung, das heißt die Erfassung der Geometrie des abzudeckenden Kundenbauteils, welches nicht immer als CAD-Zeichnung vorliegt. Scan-Roboter und verschiedene Oberflächenerfassungssysteme wurden von rhv-Technik zusammen mit der Hochschule Aalen und der DBU – Deutsche Bundesstiftung Umwelt – getestet und die Ergebnisse ausgewertet.

Insgesamt steht fest, dass die Nachfrage nach widerstandsfähigen und temperaturbeständigen 3D-gedruckten Bauteilen steigt und auch ein verstärktes Umdenken zur Ressourcenschonung stattfindet.

3D-gedrucktes Maskierungselement
Wiederverwendbare, 3D-gedruckte Maskierungselemente für ein wellenartiges Bauteil helfen im Beschichtungsprozess Ressourcen und Kosten zu sparen (Bild: rhv)

3D-gedruckte Maskierungen

Diese Trends möchte die rhv-Technik vereinen, um eine 3D-gedruckte Maskierung für die Beschichtung von Bauteilen zu entwickeln, welche mit Hilfe einer thermischen Spritzschicht sowohl erosiv und abrasiv als auch thermisch widerstandsfähiger ist als ein Kunststoffbauteil. In Zukunft könnten die Ergebnisse des Projekts auch für die Beschichtung additiv gefertigter Bauteile im Leichtbaubereich, im Werkzeugbereich, für komplexe Kühlanwendungen oder hitzebeständige Anwendungen genutzt werden. Im Jahr 2022 hat die rhv-Technik übrigens mit dem Beschichtungsverfahren für Kunststoffe bei der von der Hochschule Neu-Ulm organisierten 3D-Druck-Challenge teilgenommen und ist mit ihrem Projekt nicht nur bis ins Finale gekommen, sondern konnte die Jury – bestehend aus Vertretern aus Forschung und Lehre – überzeugen und den ersten Preis mit nach Hause nehmen. Kein Wunder, denn dem Team von rhv-Technik ist es gelungen, mehrere gegensätzliche Faktoren innerhalb des zum Teil DBU-geförderten Forschungs-Projektes mit dem 3D-Druck und dem thermischen Spritzen kombinieren.

Mit der Möglichkeit, generisch hergestellte Kunststoffbauteile mit thermischen Spritzschichten zu funktionalisieren hat rhv-Technik in jedem Fall ein interessantes Verfahren mit einem breiten Anwendungspotential auf den Markt gebracht.

Rybak + Hofmann rhv-Technik
www.rhv-technik.de