Additiv gefertigte  Kunststoffbauteile richtig kleben

Schematische Darstellung der drei Adhäsions­mechanismen nach [11] (Bild: SKZ - KFE gGmbH)

31.10.2020 Additiv gefertigte Kunststoffbauteile richtig kleben

Die Limitation des Bauraums in der Additiven Fertigung umgehen

von M. Sc. Heinrich Leicht (SKZ-KFE gGmbH), Dr. Eduard Kraus (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Dr. Benjamin Baudrit (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Dr. Thomas Hochrein (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Dr.-Ing. Martin Bastian (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Julian Hesselbach (SKZ-KFE gGmbH)

Per 3D-Druck hergestellte Bauteile sind hinsichtlich ihrer Größe begrenzt und müssen folglich gefügt werden. Beim Kleben sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen, was Gegenstand der Forschung ist – hier erste Ergebnisse.

Der Einsatz der additiven Fertigung nimmt in der Industrie immer mehr zu, da kleine Serien mit hoher geometrischer Vielfalt schnell und kostengünstig produziert werden können [1, 2]. Durch die additive Fertigung können im Vergleich zur konventionellen Produktion, wie z.B. Spritzguss, hohe Kosten für notwendige Formwerkzeuge einge­spart werden. Dagegen ist die limitierte Größe des Bauraums ein Nachteil, da damit die maximale Bauteilgröße begrenzt wird. Um diese Grenze zu umgehen, sind Fügeverfahren für additiv gefertigte Bauteile notwendig. Das Kleben ist dabei eine prinzipiell gut geeignete Fügetechnik, da weder thermische Belastungen der Bauteile – wie beim Schweißen – noch Spannungskonzentrationen – wie beim Schrauben oder Nieten – auftreten. Insbesondere die Möglichkeit, additiv gefertigte Kunststoffbauteile mit anderen Materialien wie Metallen oder Keramiken zu verbinden, ist ein großer Vorteil der Klebtechnik [3].

Da sich die Qualität der Komponenten in der additiven Fertigung von derjenigen der konventionellen Fertigung – insbesondere in Bezug auf Oberflächenstruktur und -zusammensetzung – unterscheidet, lassen sich Vorbehandlungs- und Klebprozesse nicht ohne Weiteres übertragen. Aus diesem Grund wurde in einem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF-Nr.: 19629 N) an der „Erforschung des Einflusses material- und prozessbezogener Eigenschaften additiv gefertigter Kunststoffbauteile auf Klebprozesse zur Erhöhung der Klebqualität“ gearbeitet. In diesem Projekt (01.09.2017 bis 29.02.2020) wurden die beiden additiven Fertigungsverfahren Laser Sintering (LS) und Fused Deposition Modeling (FDM) eingesetzt, um die Klebeignung zu ermitteln. Untersucht wurde der Einfluss verschiedener Fertigungsparameter (Baurichtungen und Nachbehandlungsverfahren wie Glasperlenstrahlen, Vibrationsschleifen und chemisches Glätten) sowie Vorbehandlungsverfahren (Atmosphärendruckplasma und Beflammen) auf die Haftfestigkeit bei Verwendung verschiedener Klebstoffklassen (Polyurethane, Epoxide, 2K-Methylmethacrylate und Cyanacrylate). Die Vorbehandlung bezieht sich in dem Fall auf den Fügeprozess Kleben, während die Nachbehandlung auf den additiven Fertigungsprozess bezogen wird. Nachbehandlung wird dadurch in diesem Fall vor der Vorbehandlung durchgeführt.