Oberflächentechnik für Rapid-Prototyping-Bauteile 

Oberflächentechnik für die generative Fertigung

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

-Fortsetzung aus WOMag 6/2013-

Rapid-Protoyping-Bauteile, beispielsweise hergestellt durch Lasersintern, lassen durch Aufbringung einer galvanischen Schicht gegen thermische oder chemische Einflüsse beständig machen. Auf diese Art hergestellte Bauteile können einerseits als Testobjekte für die Einsatzfähigkeit Verwendung finden, aber auch für den Gebrauch in Anlagen oder Maschinen, falls die Bauteileart nur in geringen Stückzahlen benötigt wird und damit die Herstellung von Abformwerkzeugen negativ zu Buche schlägt. Vor allem die Zulassung für die Verwendung bei der Lebensmittelverarbeitung eröffnen dem Verfahren interessante Produktionsbereiche. Darüber hinaus ist aber auch die Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Kunststoffgrundmaterials durch Aufbringung einer galvanischen Schicht mit Dicken zwischen etwa 50 Mikrometer und 200 Mikrometer möglich.

Surface Technology for Rapid-Prototyping Components – Surface Technology in Prototype Manufacture – Part 2

Rapid prototyping parts, made for example by laser sintering, can be protected against thermic oder chemical influences by plating. In such way plated parts can be used as test parts, but also as working parts in machines, if there are made only a low number of such parts or if producing parts for such machines is very expensive. Especially for machines for production of food is rapid prototyping in connection with metal coatings very interesting. Furthermore plastic parts with metal platings of thicknesses between 50 microns and 200 microns will get higher mechanical stability.

3 Thermischer Schutz

Aus Polyamid gefertigte, lasergesinterte Bauteile haben für polymere Werkstoffe bereits eine recht gute thermische Beständigkeit. In bestimmten Anwendungsfällen ist aber eine gesteigerte Beständigkeit gegenüber kurzfristiger thermischer Belastung notwendig. Als Beispiel dient hierfür der Luftansaugkanal eines Rennwagens. Dieses Bauteil ist geometrisch komplex, soll möglichst leicht sein und wird nur in sehr kleinen Stückzahlen gefertigt. Besonders für diese Anwendung kann die generative Fertigungstechnik ihr volles Potenzial ausspielen.

Abbildung 9 zeigt die Airbox für ein Rennauto der Formular Student Serie. Dieses Bauteil muss die Verbrennungsluft des Motors möglichst strömungsgünstig zum jeweiligen Zylinder transportieren. An die Airbox werden dazu verschiedene Anforderungen gestellt. Sie sollte ein geringes Eigengewicht aufweisen, kostengünstig als Einzelstück zu fertigen sein, mechanisch eine beanspruchungsgerechte Stabilität aufweisen, beständig gegen Benzindämpfe sein und einer kurzfristigen Temperaturerhöhungen bis auf 180 °C widerstehen.

Abb. 9: Airbox Seiten- und Frontalansicht (RP-Plating GmbH)

Durch generative Techniken war es möglich die geometrisch komplexe Airbox auch als Einzelstück zu einem akzeptablen Preis zu fertigen. Das generativ gefertigte Bauteil erfüllte auch bereits die Forderung der Konstrukteure nach einer beanspruchungsgerechten mechanischen Stabilität und einem geringen Gewicht. Problematisch waren die Anforderungen der Beständigkeit gegenüber Benzindämpfen und kurzzeitig erhöhter thermischer Belastung.

Hier bietet die Oberflächentechnik eine Lösung. Durch eine Beschichtung mit Nickel kann der polymere Werkstoff wirkungsvoll gegen austretenden Kraftstoff und Benzindämpfe geschützt werden. Die Nickelschicht umhüllt das generativ gefertigte Werkstück vollständig und schirmt es hermetisch vor Umwelteinflüssen ab. Nickel als Werkstoff ist mit wenigen Ausnahmen gegen nahezu alle chemische Lösungen beständig.

Eine weitere wichtige Anforderung ist die Temperaturbeständigkeit. Die galvanisch auf die Airbox abgeschiedene Nickelschicht erhöht das Reflexionsvermögen der Oberfläche beträchtlich. Dadurch erwärmt sich diese im Betrieb und im Stillstand deutlich weniger. Punktuell in das Bauteil eingetragene Wärme wie zum Beispiel an den Übergängen zum eigentlichen Motor, werden durch die bis etwa 200 µm starke Nickelschicht wirkungsvoll abgeführt und flächig über die gesamte Airbox verteilt.

Erst durch die Kombination von generativer Fertigungstechnik und Oberflächentechnik kann diese Art von Bauteilen auch im Motorsport Verwendung finden.

4 Reinigungsfreundliche Schichten auf lasergesinterten Bauteilen

Aufgrund von Bestimmungen ist die Verwendung von polymeren Werkstoffen in hygienisch sensiblen Umgebungen stark eingeschränkt. Bislang ist in der lebensmittelverarbeitenden Industrie nahezu nur PTFE-Kunststoff als polymerer Werkstoff im Einsatz, da dieser die Bedingungen zur Reinigung und Temperaturbeständigkeit erfüllt. Durch geeignete Beschichtungsverfahren ist auch der Einsatz von lasergesinterten Bauteilen möglich, die aus anderen Kunststoffen aufgebaut sind.

4.1 Organisationen rund um das Hygienic Design

Die Zulassung der Bauteile, die in der Lebensmittel verarbeitenden Industrie eingesetzt werden sollen, wird von mehreren unabhängigen Organisationen durchgeführt. In Europa und Deutschland sind die EHEDG mit eigenen Testverfahren und der Lehrstuhl für Maschinen- und Apparatekunde der TU München in Weihenstephan für die offizielle Verifizierung zuständig. Darüber hinaus schlägt die Richtlinie NSF/ANSI 51-2005 („Food equipment materials“) [5, ab S. 7] so genannte Leistungstests vor. Mit diesen wird überprüft, ob eine zuvor beschichtete Oberfläche den Anforderungen entspricht.

4.2 Prüfungen von Rapid-Prototyping-Bauteile

Ein wichtiges Kriterium für lasergesinterte Bauteile in hygienisch sensibler Umgebung ist der Nachweis der Beständigkeit der aufgebrachten Schichten und die Reinigungsprüfung. Die so behandelten Bauteile müssen gleich oder besser zu reinigen sein, als vergleichbare Proben aus nach den Normen zugelassenen Stählen.

Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Beständigkeit der Schichten gegenüber Temperaturwechsel und aggressiven chemischen Medien, die beispielsweise zur Reinigung der beschichteten Bauteile zum Einsatz kommen. In einem vorgelagerten Test wird geprüft, ob die Schichten diesen Beanspruchungen standhalten. Dabei darf sich die Schicht an keiner Stelle von den Proben ablösen oder eine Blasbildung der Schichten entstehen. Dieser Test wird auch als Temperaturwechseltest oder auch beschleunigte Alterung bezeichnet.

4.2.1 Temperaturwechseltest

Die Alterung der Proben erfolgt durch die labortechnische Nachstellung eines industriellen Reinigungsprozesses mit 2 % Natronlauge (NaOH) und 2 % Salpetersäure (HNO3). Die Proben werden dafür bei 80 °C drei Mal abwechselnd für 45 Minuten der jeweiligen Reinigungsflüssigkeit ausgesetzt. Anschließend werden sie gespült und die eigentliche Reinigungsuntersuchungen durchgeführt.

Abbildung 10 zeigt die Proben im Ausgangszustand und Abbildung 11 nach deren Prüfung. Dabei kann nachgewiesen werden, dass auch die Einwirkung von Temperaturwechsel und aggressiven Reinigungsmedien den Verbund der Schicht mit dem Substratmaterial nicht zerstört. Es wird keine Ablösung zwischen der Beschichtung und den lasergesinterten Rapid-Prototyping-Proben festgestellt. Mit diesen Ergebnissen konnten die eigentlichen Reinigungsversuche durchgeführt werden.

4.3 Prüfung nach den EHEDG-Anforderungen

Um die hergestellten Proben einer unabhängigen Prüfung zu unterziehen, wurde das von der EHEDG anerkannte Forschungszentrum Weihenstephan für Brau- und Lebensmittelqualität (BLQ) der TU München mit einer Bewertung der durch das Fraunhofer IPA beschichteten lasergesinterten Proben beauftragt. Dieses Institut führte ebenfalls einen Reinigungstest und eine optische Prüfung der beschichteten Proben durch.

4.3.1 Optische Bewertung

Das Forschungsinstitut Weihenstephan kommt zu folgendem Ergebnis: Die beiden verschiedenen durch das Fraunhofer IPA beschichteten additiv gefertigten Kunststoffplatten wurden unter dem Auflichtmikroskop untersucht. Auf den Bildern ist die grobe makroskopische Oberflächenstruktur zu sehen. Beide Oberflächen weisen keine Fehlstellen auf, wie Poren oder Überhänge. Der Überzug ist gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Die Unterschiede kommen nur durch die verschiedene Struktur des Basismaterials zustande [6]. Abbildung 12 zeigt die Oberfläche, wie sie sich bei lichtmikroskopischer Betrachtung darstellt.

4.3.2 Versuchsdurchführung

Der Test beruht auf einem Vergleich der Reinigungsfähigkeit zwischen einem Referenzrohr (gerade Rohrleitung mit bekannter, leicht zu reinigender Innenoberfläche, Ra = 0,5 – 0,7 µm) und den beschichteten lasergesinterten Proben.

Zu Beginn werden das Testbauteil und das Referenzrohr per Hand gereinigt und entfettet und bei 121 °C für 30 Minuten sterilisiert. In der vorbereiteten Testarmatur werden das Referenzrohr und das Testbauteil mit einer Sporen enthaltenen Sauermilchsuspension (Geobacillus stearothermophilus var. Calidolactis), verschmutzt. Mit Druckluft von 5 bar wird das Bauteil und das Referenzrohr drei Mal beaufschlagt und für 2 Minuten gehalten. Referenzrohr und Testobjekt werden nach dem Entleeren der Keimsuspension mit entfeuchteter Sterilluft bei einer Geschwindigkeit von 1,0 m/s für mindestens 2 Stunden getrocknet. Die anschließende Reinigung erfolgt nach dem Cleaning in Place-Prinzip (CIP). Abbildung 13 zeigt den entsprechenden Aufbau mit einer Probe.

Die durchschnittliche Durchflussgeschwindigkeit während der gesamten CIP-Reinigung beträgt 1,5 m/s bezogen auf den Referenzrohrdurchmesser. Der in der Anlage aufrechterhaltene Gegendruck liegt zwischen 1,0 bar und 1,5 bar. Es werden Doppelproben vom Vor- und Nachspülwasser gezogen und auf modifizierten Shapton und Hindes Agar (MSHA-Agar) angesetzt. Referenzrohr und Testobjekt werden nach der Reinigung aus der Anlage ausgebaut, mit MSHA-Agar ausgekleidet und bei 58 °C für 18 Stunden bebrütet. Anschließend wird der Agar aus Referenzrohr und Testobjekt heraus präpariert. Beim Auskeimen der Sporen ändert das Nährmedium seine Farbe von Violett nach Gelb. Es wird der Grad der Verfärbung der beiden Agaroberflächen von Referenzrohr und Testobjekt verglichen.

4.3.3 Ergebnis der Reinigungsprüfung

Der Test auf die Reinigbarkeit wurde durch das Institut Weihenstephan für eine gesicherte Aussage insgesamt drei Mal durchgeführt. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse in Form der Verfärbungen des Agars in Prozentangaben zusammengefasst.

Das Forschungszentrum Weihenstephan für Brau- und Lebensmittelqualität kommt aufgrund der durchgeführten Untersuchungen zu dem Schluss, dass die beschichteten Kunststoffplatten aus lasergesintertes Polyamid sehr gut zu reinigen sind. Die auftretenden Gelbfärbungen sind statistisch verteilt, weshalb reinigungstechnische Probleme ausgeschlossen werden können. In allen Versuchen waren die Testoberflächen wesentlich besser zu reinigen als das geschliffene Edelstahlreferenzrohr. Zwischen den beiden Proben wurde kein Unterschied festgestellt. Die geringe Restverschmutzung bei einer Probe im ersten Versuch konnte nicht wiedergefunden werden, so dass statistisch kein Unterschied besteht.

Des Weiteren zeigen die Versuchsergebnisse, dass die produktberührte Oberfläche der neuen Schicht auf den lasergesinterten Rapid-Prototyping-Proben sehr leicht zu reinigen ist und im Vergleich zum Referenzrohr sogar leichter reinigbar ist. Der Ra-Wert der beschichteten Platten ist wesentlich größer als der in den Normen geforderte Höchstwert von 0,8 µm. Entscheidend für die Abreinigung ist allerdings die Topographie der Oberfläche, die in diesem Fall sehr regelmäßig und glatt ist. Ein Unterschied zwischen den beiden vorgelegten Proben konnte nicht festgestellt werden, obwohl sie geringfügig unterschiedliche Oberflächenstrukturen aufweisen. Die erhaltenen Ergebnisse der drei Mal durchgeführten Versuche sind untereinander vergleichbar. Die Schicht entspricht dem Forschungszentrum Weihenstephan zufolge den Hygienic Design Anforderungen gemäß EHEDG-Doc. 8, 2nd Edition, 2004 [7], im Hinblick auf die leichte Reinigbarkeit.

5 Mechanische Stabilität

5.1 Stabilitätsverbesserung von lasergesinterten Werkstücken

Lasergesinterte Bauteile verfügen in der Regel über eine geringere mechanische Festigkeit und ein kleineres E-Modul als metallische Werkstücke aus Stahl oder Aluminium. Dies ist vor allem immer dann von Nachteil, wenn hochfeste und steife lasergesinterte Bauteile gefordert sind. Aber auch zur Bewertung von dünnen Blechen oder für Montageuntersuchungen wünschen sich Konstrukteure oft steifere und mechanisch belastbarere Bauteile. Lasergesinterte Bauteile erreichen dabei aufgrund der Verwendung von Polyamid als Ausgangswerkstoff bei einer Zugfestigkeit von 50 N/mm² bis maximal 60 N/mm² ihre Grenze. Dieser Wert schwankt je nach Baurichtung und verwendetem Grundwerkstoff teils erheblich.

Metalle haben in der Regel deutlich höhere Zugfestigkeiten und können bei der Nutzung von hochfesten Legierungen bis weit über 1000 N/mm² erreichen. Galvanisch abgeschiedene Nickelschichten ergeben je nach Abscheidebedingungen und physikalischen Parametern hohe Zugfestigkeiten. In einer Versuchsreihe wurden lasergesinterte Probekörper für Zugversuch mit einem Querschnitt von 10 mm x 4 mm mit einer Nickelhülle umgeben. Die Nickelhülle wurde in Dicken von 50 µm, 100 µm, 150 µm und 200 µm aufgebracht.

Alle beschichteten Proben wurden anschließend einem Zugversuch unterworfen. Dabei wird deutlich, dass sich die Zugfestigkeit der lasergesinterte Proben signifikant von 47,5 N/mm² bis auf 167,5 N/mm² steigern lässt (Abb. 14).

5.2 Stabilitätsverbesserung von SLA-Werkstücke

Stereolitografisch hergestellte Rapid-Prototyping-Werkstücke verfügen in der Regel über eine kleinere Rauheit Rz wie lasergesinterte Bauteile. Nachteilig ist aber deren geringere mechanische Festigkeit und deren sprödes Bruchverhalten. Durch Umhüllen dieser Bauteile mit einer metallischen Schicht können diese Unzulänglichkeiten teils ausgeglichen werden.

Dazu wurden Zugversuchsproben aus DSM Somos Nano Tool™ Material von Cirp hergestellt. Die Ausgangsproben hatten eine Dicke von 1,45 mm (Typ 1), 1,47 mm (Typ 2) und 1,22 mm (Typ 3). Diese Zugproben wurden durch die RP-Plating mit einer metallischen Hülle basierend auf Nickel, auf ein Endmaß von 1,52 mm verstärkt.

Dadurch entstanden drei verschiedene Typen (Typ 1 bis Typ 3) mit einem Metallanteil von 3 %, 6 % und 12 %, bezogen auf das Volumen (Abb. 15). Von jedem Typ wurden insgesamt fünf einzelne Zugstäbe angefertigt. Die Versuchsreihe wurde insgesamt zwei Mal durchgeführt.

Anschließend wurden die so gefertigten Zugproben durch das EXOVA Prüfinstitut (Exova, 2010) einem Zugversuch unterzogen. Dabei konnte in Probenreihe 1 eine nahezu lineare Abhängigkeit der Zugfestigkeit von der aufgebrachten Metallmenge nachgewiesen werden (Abb. 16). Aufgrund einer fehlerhaften Prozessführung im zweiten Versuchsdurchlauf konnten diese Ergebnisse leider nicht bestätigt werden (Abb. 17).

Literatur

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

[2] B. Bertsche B (Hrsg.): Entwicklung und Erprobung innovativer Produkte - Rapid Prototyping: Grundlagen, Rahmenbedingungen und Realisierung /... - Berlin, Springer; Heidelberg, XIX, 489 S.; Ill., graph. Darst. (VDI-Buch) ISBN 978-3-540-69879-1 (2007)

[3] T. Lux: Haftfestigkeit von Kupferschichten auf Polyimid beim lichtbogengestützen 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)

[5] NSF/ANSI 51-2005: Food equipment materials, 2005

[6] Bericht Weihenstephan 10] EHEDG_Hygienic_Design_Rapid_Prototyping.pdf: http://www.rp-plating.de/EHEDG_Hygienic_Design_Rapid_Prototyping.pdf (Stand 8.03.2011)

[7] EHEDG: Dokument 8: Hygienic Equipment Design Criteria (Second Edition), 2004

[8] K. Mertz, J. Fessmann: Verbundprojekt: Kombination von PVD und Galvanik-Teilvorhaben: Metallisierung faserverstärkter Kunststoffe mittels kombinierter galvanischer / physikalischer Beschichtungsverfahren; Dünnschichttechnologien 92:617-630 (1992)

[9] M. Methner: Direkter Weg. Das Metall-Lasersintern verkürzt die Zeit für das Herstellen komplexer Spritzgusswerkzeuge; MM - Maschinenmarkt, Das IndustrieMagazin 4: 34-35 (2006)

[10] E. Westkämper: Entwicklung und Erprobung innovativer Produkte. Ergebnisbericht der Förderperiode 01-03 SFB374 (2003)

[11] E. Westkämper, H.-J. Warneke: Einführung in die Fertigungstechnik. Stuttgart: Teubner : s.n., 2002. 5. Auflage.

[12] H. Dettner, J. Elze: Handbuch der Galvanotechnik: Band I: Grundlagen, Einrichtungen, Vorbehandlung; München: Carl Hanser Verlag (1964)

[13] I. Horowitz: Oberflächenbehandlung mittels Strahlmitteln, Handbuch über Strahltechnik und Strahlanlagen, Band I: Grundlagen der Strahltechnik. Essen: Vulkan-Verlag, (1982)

[14] J. Schulz: Geschwindigkeitskontrolliertes Kugelstrahlen und Kugelstrahlumformen. Aachen: Shaker Verlag, Aachen, RWTH, Dissertation (2003)

[15] H.-W. Bellin: Who is Who: Organisationen rund um das Hygienic Design; HygieniCon, München (2006)

[16] H.-W. Bellin: Maschinen und Anlagenhygiene – Gesetzliche Rahmenbedingungen und Anforderungen aus Regelwerken für Lebensmittel- und pharmazeutische Produktion; in: Chemie Ingenieur Technik Nr. 11 (2006), S. 1707-1715

[17] DIN EN ISO 14159:2004: Sicherheit von Maschinen – Hygieneanforderungen an die Gestaltung von Maschinen

[18] DIN EN 1672-2:2005: Nahrungsmittelmaschinen – Allgemeine Gestaltungsleitsätze – Teil 2: Hygieneanforderungen

[19] A. Dietz: Galvanische Metallisierung – Umweltfreundliche Vorbehandlung für neue Kunststoffe; in: Journal der Oberflächentechnik Nr. 9, 2005, S. 68-70

[20] Federal Specifications QQN290A: Nickel Plating (Electrodeposited) (1971)

[21] K.-P. Müller: Praktische Oberflächentechnik. Vorbehandeln – Beschichten – Beschichtungsfehler – Umweltschutz, 4. Auflage, Wiesbaden: Vieweg Verlag (2003)

[22] A. Schubert: Salmonellen; in: Ihr Gesundheitsamt informiert; Firmenschrift Gesundheitsamt Kiel

[23] PVIPlating: Properties of Nickelshield® MIL-C-26074C (2007)

[24] Europäische Union: Verordnung (EG) Nr. 1935/2004 über Materialien und Gegenstände, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in Berührung zu kommen und zur Aufhebung der Richtlinien 80/590/EWG und 89/109/EWG. In: Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften Nr. 338/5 (2004)

[25] Europäische Union: Verordnung (EG) Nr. 852/2004 über Lebensmittelhygiene; in: Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften Nr. 139/1 (2004)

[26] U.S. Department of Agriculture (USDA): USDA Guidelines for the sanitary design and fabrication of dairy processing equipment (2001)

DOI: 10.7395/2013/Bohnet2