Oberflächentechnik für Rapid-Prototyping-Bauteile 

Oberflächentechnik für die generative Fertigung

Von Dr. Jens Bohnet, RP-Plating GmbH, Stuttgart

Die Rapid-Prototyping-Technologie erlaubt es, beispielsweise Bauteile mit Unterstützung von Lasern aus Kunststoff oder Keramik auf Basis von CAD-Daten ohne mechanische Umformung oder Bearbeitung herzustellen. Die Eigenschaften eines solchen Bauteils werden durch eine harte, elektrisch leitfähige, glänzende oder haptisch ansprechende Oberfläche verändert, beispielsweise durch eine galvanisch abgeschiedene Metallschicht. Im ersten Schritt muss eine Metallschicht als Haftvermittler und Leitschicht aufgebracht werden. Diese wird mit gängigen Verfahren galvanisch verstärkt und führt zu gebrauchsfähigen Prototypen.

Surface Technology for Rapid-Prototyping Components – Surface Technology in Prototype Manufacture

Rapid prototyping makes it possible, typically using lasers, to produce components made of plastics or ceramics, starting from a CAD file, with no mechanical deformation processes involved. The properties of such components can be modified by application of a hard, electrically conductive, shiny or otherwise visually attractive surface, for example by application of an electroplated metal finish. As a first step, a metal layer must be deposited as adhesion promoter and to render the surface electrically conducting. This is then built up using conventional methods, leading to a fully functional prototype.

Durch Rapid-Prototyping(RP)-Verfahren können schon heute im Maschinen- und Anlagenbau komplexe Bauteile in kleinen Stückzahlen zu attraktiven Kosten hergestellt werden. So ist es in vielen Fällen interessant, einzelne Bauteile oder Anlagenkomponenten wie Halterungen, Verkleidungen, Aufnahmen oder Ähnliches durch Rapid-Prototyping-Verfahren herzustellen. Bei diesen Verfahren hat die geometrische Komplexität auch in sehr kleiner Stückzahl keinen Einfluss auf den Preis. So lassen sich beispielsweise Bauteile, die sonst nur durch Gussverfahren erzeugt werden, durch Rapid-Prototyping herstellen. Aufgrund der enormen Freiheiten bei der Gestaltung der Geometrie ist es auch möglich, in ein einzelnes Bauteil unterschiedliche Funktionen zu integrieren, die bei der Fertigung mittels konventioneller Technik nur durch den Zusammenbau unterschiedlicher Komponenten möglich ist. So können bei der Herstellung eines Bauteils mittels Rapid-Prototyping bereits Luftleitungen in die Bauteile mit integriert werden, ein nachträgliches Anbringen von Schläuchen entfällt. Eine weitere Möglichkeit ist der Einbau von Clips und Halterungen in das Bauteil. Diese Maßnahmen ermöglichen eine einfache Montage von Kabeln oder anderen Anbauteilen.

Verfahren der Oberflächentechnik erweitern und vergrößern den Einsatzbereich von lasergesinterten (SLS) und durch andere Rapid-Prototyping-Verfahren erzeugte­ Werkstücke beträchtlich. Rapid-Prototyping-Bauteile haben durch ihren schichtweisen Aufbau aus einem pulverförmigen Grundmaterial oder einem Fotopolymer eine raue und teils stufige Oberfläche im Vergleich zu zerspanten oder spritzgegossenen Polyamidbauteilen. Diese raue Oberfläche wirkt sich auf das optische Erscheinungsbild der Rapid-Prototyping-Bauteile negativ aus. Des Weiteren erreichen die aktuell zur Verfügung stehenden Werkstoffe häufig nicht die Festigkeiten und die thermische Beständigkeit von konventionell gefertigten Bauteilen.

Wenn Rapid-Prototyping-Bauteile im Bereich hygienisch sensibler Anwendungen eingesetzt werden sollen, stellt sich die Frage, wie die verwendeten Kunststoffe ­gereinigt werden können und ob gängige Hygienestandards auch mit generativ gefertigten Bauteilen erreicht werden können.

In allen diesen Bereichen kann die Oberflächentechnik einen wertvollen Beitrag leisten und das Einsatzspektrum von generativ gefertigten Bauteilen erweitern. Im vorliegenden Artikel sollen die folgenden Themen im Hinblick auf ihren Nutzen in Kombination mit Rapid-Prototyping-Bauteilen aufgezeigt werden:

• Oberflächentechnik für RP im Allgemeinen
• Optisches Erscheinungsbild und Potenzial durch Rapid-Prototyping
• Thermischer Schutz mittels metallischer Schichten
• Leicht zu reinigende Schichten auf lasergesinterten Bauteilen
• Mechanische Stabilität von generativ gefertigten Bauteilen

1 Oberflächentechnik für Rapid-Prototyping

1.1 Anforderungen an Oberflächen

Anforderungen an Oberflächen lassen sich im Allgemeinen in funktionelle und dekorative Anforderungen unterteilen (Tab. 1).

Oft werden an ein generativ erzeugtes Werkstück kombinierte Anforderungen gestellt, wie beispielsweise Korrosionsschutz und Glanz oder Verschleißbeständigkeit und Leitfähigkeit. Die daraus resultierenden verschiedenartigen Anforderungsprofile verlangen häufig eine Kombination der verschiedenen Verfahren aus der Oberflächentechnik [1, 2].

1.2 Verfahren zur Veränderung der Eigenschaften von Oberflächen

Die Oberflächentechnologie umfasst Verfahren der Oberflächenbehandlung sowie Verfahren der Oberflächenbeschichtung (Tab. 2). In der Regel werden Verfahren kombiniert, um die geforderten Eigenschaften (Eigenschaftsprofile) zu erreichen. So gehen der Beschichtung von Rapid-Prototyping-Bauteilen in der Regel ein angepasstes Reinigungsverfahren und/oder ein Verfahren zur gezielten Veränderung der Oberflächeneigenschaften voraus.

1.3 Lösungsansätze zur Beschichtung von Rapid-Prototyping-Bauteilen

Die Verfahren zur Beschichtung können schematisch in drei Grundverfahren eingeteilt werden (Abb. 1). Neben den Verfahren der Beschichtung von SLS-Bauteilen kommen auch Verfahren zur Vorbehandlung und zur gezielten Eigenschaftsveränderung der Oberflächen zum Einsatz.

1.3.1 Oberflächenvorbehandlung

Viele Funktionsbauteile werden heute mittels Rapid-Prototyping gefertigt. Den Vorteilen wie geringe Kosten bei komplexen Werkstücken und Einzelteilen stehen aber auch gewisse Nachteile gegenüber. Dies gilt insbesondere für die Oberflächeneigen­schaften solcher Werkstücke. So genügen diese oft nicht den dekorativen Anforderungen oder sind einem Verschleiß durch Reibung und Gebrauch nicht dauerhaft ­gewachsen. Diese Nachteile können durch eine metallische Beschichtung der Bau­teile ausgeglichen werden. Der Haftungsverbund zwischen metallischer Beschichtung und Kunststoffsubstrat ist bei unbehandelten Bauteilen jedoch oft ungenügend. Dies liegt an den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Kunststoff sowie an den anhaftenden Verunreinigungen auf der Bauteiloberfläche.

Eine erste Reinigung findet in der Regel ­nasschemisch in einem Ultraschallbad statt. Hier kommen verschiedene wässrige und nichtwässrige Reiniger zum Einsatz.

In einem zweiten Prozessschritt findet in einem Niederdruckplasma eine Feinstreinigung und Oberflächenmodifizierung statt. Dabei kommen Prozessgase wie Argon, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Luft zur Anwendung. Um die gewünschten Effekte an der Oberfläche zu erzielen, müssen die Parameter Gas, Art, Prozessdruck, Ätzzeit und Anregungsfrequenz an das vorzubehandelnde Rapid-Proto­typing-Bauteil angepasst sein [3].

1.3.2 Beschichtung aus der Gas- oder Dampfphase

Zur Beschichtung von Rapid-Prototyping-Bauteilen aus der Gas- oder Dampfphase steht eine Reihe verschiedener Prozesse und Anlagentypen zur Verfügung. Generell kann aber zwischen

• Chemical Vapour Deposition (CVD) und
• Physical Vapour Deposition (PVD)

unterschieden werden. Während bei einem CVD-Prozess die Schicht durch eine chemische Reaktion an der Oberfläche mit dem zu beschichtenden Bauteil entsteht, wird beim PVD-Prozess das Schichtmaterial physikalisch in die Dampfphase überführt und schlägt sich durch Kondensation am zu beschichtenden Bauteil nieder. CVD-Prozesse benötigen oft hohe Temperaturen und/oder eine andere Art der Energieeinkopplung, wie beispielsweise Mikrowellen- oder UV-Strahlung, um eine Schicht auf dem Bauteil abzuscheiden.

Die PVD-Verfahren können in drei Grundverfahren unterteilt werden: Aufdampfen, Kathodenzerstäuben (Sputtern) und Ionenplattieren. Beim Ionenplattieren wiederum stehen folgende Verfahren und Verfahrenskombinationen zur Auswahl:

• Anodisches Lichtbogenverdampfen (Markenbezeichnung: PLASCO®),
• Lichtbogengestütztes Aufdampfen (Markenbezeichnung: VALICO®)
• Kathodisches Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD)

In einer Vielzahl von Versuchen hat sich das Arc-PVD-Verfahren als am geeignetsten erwiesen, um Rapid-Prototyping-Werkstücke mit einer fest anhaftenden metallischen Schicht zu versehen. Diese erste metallische Schicht lässt sich durch chemische oder galvanische Verfahren weiter verstärken.

1.3.3 Galvanische Beschichtung

Galvanische Beschichtungsverfahren sind weit verbreitet und ermöglichen eine kostengünstige und qualitativ hochwertige Oberflächenveredelung. Es steht eine Vielzahl von Verfahren und Schichtsystemen zur Verfügung, durch die sich die mechanischen, korrosiven und dekorativen Eigenschaften von Bauteilen verbessern lassen. Galvanische Verfahren benötigen aber generell einen elektrisch leitfähigen Untergrund, um an der Oberfläche der Bauteile freie Ladungen zur Abscheidung von Metall­ionen zur Verfügung zu stellen. Dieser lässt sich durch ein Arc-PVD-Verfahren auf ein Rapid-Prototyping-Bauteil aufbringen.

Galvanische Schichten können im Bereich von einigen Mikrometern bis wenigen Millimetern abgeschieden werden. Dem Vorteil der Vielzahl von abscheidbaren Metallen steht der Nachteil entgegen, dass die galvanischen Verfahren nur auf elektrisch leitfähigen Bauteilen möglich sind. Dieses Verfahren eignet sich, um metallische, lasergesinterte Bauteile oder im Vorfeld bereits vormetallisierte, lasergesinterte Bauteile zu beschichten.

1.3.4 Chemische/außenstromlose Metallabscheidung

Eine Möglichkeit, auch nichtleitende generative Bauteile in einem nasschemischen Prozess zu metallisieren, ist die chemische Abscheidung von Nickel oder Kupfer. Bei diesem Abscheideverfahren ohne eine äußere Stromquelle [4] wird das zu beschichtende Bauteil mit Palladium bekeimt. An dieser Palladiumbekeimung kann eine Anoden/Kathodenreaktion stattfinden, wobei eine Oxidation von Phosphid und Wasser zu Wasserstoffionen und Phosphit unter Freisetzung von Elektroden erfolgt. Mit diesen Elektronen können im Elektrolyt gelöste Metallionen zu einer metallischen Schicht reduziert werden:

Meⁿ+ + ne- → Me⁰

Chemische Verfahren eignen sich in der Regel nicht, um dicke Schichten aufzutragen, da die Abscheidegeschwindigkeit aus diesen Elektrolyten bei nur 8 µm bis 12 µm in der Stunde liegt.

1.4 Verfahrenskombinationen

1.4.1 PVD- + galvanische Beschichtung

Besonders bei der Beschichtung Rapid-Prototyping-Bauteile ist eine nass­chemische Beschichtung der Kunststoffe­ schwierig und fehleranfällig. Chemisch außenstromlose Prozesse benötigen im Allgemeinen eine umfangreiche Voruntersuchung, welche für jeden einzelnen Kunststofftyp durchgeführt werden muss. Bei sehr kleinen Stückzahlen ist eine vorausgehende Testreihe meist zu teuer oder nicht möglich. Da Rapid-Prototyping-Bauteile in der Regel nur in sehr kleinen Stückzahlen vorliegen, musste eine andere Möglichkeit gefunden werden, um eine leitfähige Startmetallschicht auf das Kunststoffbauteil aufzubringen. Durch die Kombination einer dünnen, durch Arc-PVD-Technik hergestellten Startmetallschicht und einer anschließenden galvanischen Nachverstärkung kann ein nichtleitender lasergesinterter Kunststoff mit einer dicken metallischen Schicht versehen werden.

Dazu eignen sich die am Fraunhofer-IPA erforschten und weiterentwickelten PVD-Prozesse. Durch angepasste Vorbehandlungs- und Beschichtungtechnologien wird es möglich, eine dünne, haftfeste Startmetall­schicht auf Kunststoffbauteile abzuscheiden. Diese Prozesse eigenen sich gut für kleine Stückzahlen und erlauben eine schnelle Beschichtung und Fertiggalvanisierung derartiger Bauteile.

1.4.2 Außenstromlose Beschichtung mit galvanischer Nachverstärkung

Diese Prozesskombination ist besonders für hinterschnittene und/oder komplex geformte Bauteile interessant, da sich eine Startmetallschicht unabhängig von der elektrischen Feldverteilung abscheiden lässt. Auch bei wiederkehrender Beschichtung von Rapid-Prototyping-Bauteilen aus dem gleichen Kunststoff ist das Verfahren interessant, da es bei festgelegten, prozesssicheren Parametern mit geringerem Aufwand zu betreiben ist, als eine Start­metallisierung mittels der PVD-Technik.

Wichtig ist dazu besonders eine Entwicklung zu niederen Temperaturen der galvanischen Elektrolyte auf etwa 30 °C. Erst dadurch können haftfeste Grundmetallschichten auf Rapid-Prototyping-Bauteilen aus Kunststoff erzeugt werden. Das Nachgalvanisieren erfolgt in Hochglanz-Nickelelektrolyten. Aus Korrosionsschutzgründen kann als Endschicht zusätzlich eine Chromschicht aufgebracht werden.

2 Optisches Erscheinungsbild

Neben rein technischen Ansprüchen sollen­ Rapid-Prototyping-Bauteile auch den optischen Vorstellungen der Kunden entsprechen. Da die Bauteile in der Regel grau oder weiß sind, kann eine alternative Farbgebung nur durch Einfärben, Lackieren oder Beschichten erzielt werden.

Die RP-Plating GmbH (ein Spinn-off des Fraunhofer-IPA) hat sich dabei auf die Beschichtung von Rapid-Prototyping-Bauteilen mit metallischen Schichten spezialisiert. Dazu kommen die in Abschnitt 1 angeführten Techniken der Arc-PVD-Beschichtung und galvanische Verfahren zum Einsatz. Die eingesetzten Verfahren ermöglichen es, ­Rapid-Prototyping-Bauteile mit den Metallen Titan, Nickel, Kupfer, Silber und Gold zu versehen. Diese metallischen Schichten lassen sich in unterschiedlichen Schichtstärken und Kombinationen aufbringen.

Nachfolgend sollen einige Beispiele von beschichteten, lasergesinterten Bauteilen mit unterschiedlichen Schichtsystemen aufgezeigt werden.

2.1 Arc-PVD-Titan-Schichten

Für spezielle Anforderungen scheiden metallische Schichten aus konventionellen Materialien aufgrund von besonderen technischen Gegebenheiten aus. So wurde es für eine sehr spezielle Anwendung notwendig, einen Grundkörper mit einer elektrisch leitfähigen Schicht zur Ableitung von statischen Ladungen zu versehen. Die metallische Schicht sollte aber gleichzeitig für Neutronen und andere Nukleonen weitgehend transparent sein. Hier kommen nur Metalle mit möglichst geringem spezifischem Atomgewicht in Frage. Es bieten sich dazu typischerweise Aluminium- oder Titanschichten an. Aufgrund des besseren Korrosionsverhaltens wurde eine Schicht aus Titan gewählt. Diese Schicht wird durch ein speziell an die Eigenschaften des polymeren Grundkörpers angepassten PVD-Verfahren auf dem Bauteil abgeschieden (Abb. 2).

2.2 Galvanisch abgeschiedenes Nickel auf Rapid-Prototyping-Teilen

Galvanische Nickelschichten zeichnen sich durch eine hohe Härte, gute Verschleißbeständigkeit, einen ansprechenden Glanz und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Diese Schichten empfehlen sich immer dann, wenn komplexe Geometrien mit einem schönen metallischen Glanz gefordert sind. Als Beispiel hierfür dient die Fertigung von individuellen Manschettenknöpfen. Diese Manschettenknöpfe wurden durch ein Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt und im Anschluss durch ein galvanisches Verfahren glanzvernickelt (Abb. 3 und 4).

Abb. 3: Unbeschichtete SLS-Manschettenknöpfe

Abb. 4: Beschichtete SLS-Manschettenknöpfe

2.3 Galvanisch abgeschiedenes Kupfer

Kupferschichten auf lasergesinterten Bauteilen (Abb. 5) sind immer dann gefordert, wenn ein hoher Schutz gegenüber elektro­magnetischer Strahlung oder eine gute elektrische Leitfähigkeit notwendig ist. Diese Schichten kommen vorzugsweise auf Antennen, Gehäusen von elektronischen Geräten und zur Erzielung von elektrischer Leitfähigkeit zum Einsatz.

2.4 Galvanisch abgeschiedenes Silber

Schmuck, Besteck und Accessoires sind häufig aus Silber oder zumindest mit einer Silberschicht versehen. Modeschmuck wird heutzutage oft bereits mit Hilfe von CAD am Computer entworfen. Zur Beurteilung, ob ein Schmuckstück den Anforderungen des Marktes entspricht, sind aber in der Regel physische Prototypen notwendig. Diese lassen sich heute kostengünstig und schnell durch Lasersintern oder andere generative Verfahren erzeugen. Diesen Prototypen fehlt dann aber die Edelmetalloberfläche, durch die ein Gebrauchsgegenstand, Schmuckstück oder Accessoire, überhaupt erst sein typisches, wertiges Erscheinungsbild gewinnt. Auch hier bietet sich die Auftragung einer Echtsilberschicht durch Galvanik an (Abb. 6 und 7).

Im folgenden Beispiel ist ein Modeschmuckring dargestellt, gefertigt durch ein SLA-Verfahren mit und ohne Silberschicht.

2.5 Galvanisch abgeschiedene Goldschichten

Neben rein dekorativen Gründen empfehlen sich Goldschichten auch aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionseigenschaften und der Eignung für elektrische Kontaktstellen. Wenn neben einem guten Korrosionsschutz auch gleichzeitig ein dauerhaft geringer Ohmscher Übergangswiderstand gefordert wird, ist eine Beschichtung mit einer dünnen Goldschicht erforderlich.

Gold kann dabei als reines 24-Karat-Gold aufgebracht werden. Es sind aber auch Zusätze von Kobalt, Silber, Nickel oder Kupfer möglich. Dadurch lässt sich die Farbe der Schicht verändern. Auch die Härte und der Widerstand gegenüber Verschleiß verbessern sich durch die Zugabe von speziellen Legierungselementen in die galvanisch abgeschiedene Schicht. Als Beispiel für eine galvanisch aufgebrachte Goldschicht dient auch hier ein Modeschmuckring gefertigt in einem SLA-Prozess (Abb. 8).

– wird fortgesetzt –

Literatur

[1] E. Westkämper, H.-J. Warneke: Einführung in die Fertigungstechnik; Teubner Verlag, Stuttgart Leipzig Wiesbaden (2004)

[2] B. Bertsche (Hrsg.): Entwicklung und Erprobung innovativer Produkte – Rapid Prototyping: Grundlagen, Rahmenbedingungen und Realisierung/...; Berlin: Springer; Heidelberg [u. a.], 2007, XIX, S. 489 (VDI-Buch)

[3] T. Lux: Haftfestigkeit von Kupferschichten auf Polyimid beim lichtbogengestützten Aufdampfen; Dissertation Universität Stuttgart, Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (2002)

[4] G. Spur, T. Stöferle: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 4: Abtragen Beschichten; Carl Hanser Verlag, München Wien (1987)