Neues Potenzial von Partikelschäumen mit additiver Fertigung

Dank der Kombination aus dem Partikelschaum EPP und der freien Gestaltungsmöglichkeit des 3D-Druck im Werkzeugbau wurde aus einem herkömmlichen Gehstock ein innovatives Lifestyleprodukt mit neuartigem Design geschaffen. Eine Innovation, die es in den Swiss AM Guide 18 schaffte.

Neues Potenzial von Partikelschäumen mit additiver Fertigung

Partikelschäume wie expandiertes Polypropylen (EPP) werden seit langem in der Logistik- und Verpackungsindustrie eingesetzt. Neben einer vergleichsweise geringen Dichte mit guten mechanischen Eigenschaften zeichnen sich expandierte Partikelschäume durch hohe Wärmedämm- und Dämpfungseigenschaften aus. Aus diesem Grund werden sie auch in der Automobilindustrie, in der Isoliertechnik und anderen Bereichen eingesetzt. Die Firma Robert Hofmann GmbH erkannte das Potential dieses Werkstoffes und kombinierte es mit den Vorteilen der additiven Fertigung im Bereich des Werkzeugbaus.

 

Herstellung von Partikelschaum

Die Herstellung von Produkten und Komponenten aus  Partikelschaum erfolgt wie folgt: expandiertes Polypropylen (EPP) wird in Form von Perlen geliefert. Diese Perlen werden in den Hohlraum zwischen den Formen gefüllt. Durch mehrere kleinere Öffnungen in den Werkzeugen wird Wasserdampf unter Druck und bei erhöhter Temperatur von bis zu 150 °C eingespritzt. Die Einleitung von Wärmeenergie durch den Wasserdampf führt zur Ausdehnung und Sinterung der Perlen, die sich an der Oberfläche verbinden. Nach dem Umformprozess und der Entnahme aus den Formen wird der Wassergehalt des Bauteils durch den Wasserdampf mit einem Temperofen reduziert. Neben expandiertem Polypropylen (EPP) sind auch expandiertes Polystyrol (EPS), expandiertes Polyethylen (EPE) und expandiertes thermoplastisches Polyurethan (ETPU) erhältlich.

Für die Serienproduktion werden die verwendeten Formen typischerweise aus Metall gefertigt. Bei der Konstruktion der Werkzeuge besteht die Herausforderung darin, Wasserdampf möglichst gleichmäßig und effizient in die Kavität einzubringen und zu verteilen. Dabei spielen Anzahl und Anordnung der integrierten Öffnungen in Form von Schlitzen oder Düsen eine entscheidende Rolle. Sie haben einen wesentlichen Einfluss auf die Wasserdampfverteilung und damit auf die Oberflächenqualität und die Bauteileigenschaften. Besonders in den Spalten zwischen den Schlitzen kann es zu Lufteinschlüssen und falschem Sintern der Sicken kommen.

 

Unterschied zu konventioneller Fertigung

In konventionell gefertigten Formen werden in der Regel Schlitze oder Düsen in das Werkzeug gebohrt. In einem Abstand von ca. 10 - 15 mm kann ein Werkzeug mehrere hundert Nuten haben. Additive Fertigungsverfahren wie das Laserschmelzen ermöglichen es, den Abstand zwischen den Schlitzen auf weniger als 1 mm zu verringern. Auf diese Weise können die Schlitze viel näher beieinander angeordnet werden, wodurch mehrere zehntausend Schlitze in das Werkzeug integriert werden können. Zusätzlich kann die Breite jeder Nut auf ca. 0,1 mm reduziert werden. Dies führt zu einer dampfdurchlässigeren Form, die den Dampf wesentlich homogener einbringt. Dadurch wird eine deutlich bessere Oberflächenqualität und strukturelle Integrität erreicht. Da es keine größeren Abstände zwischen den Schlitzen gibt, wird die Sinterung der Partikel verbessert und mögliche Brüche vermieden. Weitere Vorteile des Additivverfahrens sind die erhöhte Freiheit bei komplexen Geometrien, mögliche Materialeinsparungen sowie die Flexibilität und Zeitersparnis bei der Herstellung der Werkzeuge.

 

Neuartiges Anwendungsbeispiel: Der Gehstock

Um das Potenzial dieser Prozesskette und die vorteilhaften Materialeigenschaften eines Partikelschaums wie EPP aufzuzeigen, entwickelte die Robert Hofmann GmbH ein neuartiges Anwendungsbeispiel in Form eines Gehstockes. Ein Gehstock als Produkt aus dem Gesundheitswesen zeigt, dass die Eigenschaften von EPP wie Energieaufnahme, reduzierte Dichte und hohe strukturelle Integrität auch für Konsumgüter genutzt werden können. Der Griff des Gehstockes besteht aus EPP mit der oben beschriebenen Prozesskette. Der Anwender erfährt die haptischen Vorteile von EPP, da der Druck auf die Handflächen durch den "Bounce-Effekt" des Schaumstoffes gleichmäßig verteilt wird. Zudem sorgen die reduzierte Masse, die geringe Flüssigkeitsaufnahme und die wärmedämmenden Eigenschaften von EPP für eine angenehme Handhabung. Die benötigten Formen werden mit Maschinen der Concept Laser GmbH aus Stahl lasergeschmolzen.

Während des Formprozesses des Partikelschaums wird ein Einsatz in der Form positioniert. Das expandierende EPP-Material umgibt und fixiert es. Der Einsatz besteht aus Kunststoff mit dem additiven Herstellungsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM). Sie besitzt einen Rahmen für die Integration einer Apple Uhr und enthält einen Schraubeneinsatz, an dem ein faserverstärkter Carbonschaft befestigt ist. Mit dieser leichten Konstruktion kann der Gehstock bis zu 120 kg tragen. Der Einsatz von zusätzlich gefertigten Formen zur Herstellung des EPP-Griffs führt zu verbesserten Produkteigenschaften.

 

Steigernde Effizienz

Aus wirtschaftlicher Sicht ergeben sich weitere Vorteile. Die homogenere und feinverteilte Dampfinjektion verbessert die Energieeffizienz der Anlage. Darüber hinaus können die Zykluszeiten reduziert werden. Der gezielte Einsatz der additiven Fertigung verbessert somit nicht nur das Produkt selbst, sondern macht auch den gesamten Herstellungsprozess effizienter.

 

Zusammenfassend zeigt die Vitrine eindrucksvoll, wie verschiedene Materialien und Verfahren zu einem innovativen Produkt mit neuem Design aus einem herkömmlichen Gehstock kombiniert werden. Die Vorteile von Partikelschäumen wie expandiertem Polypropylen (EPP) sind mit der Freiheit der additiven Herstellung verbunden und ermöglichen so innovative Verfahrenswege mit neuartigen Anwendungen.

 

 

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Produktgruppen:
Medien, Publikationen, Messen
    Publikationen

Anwendungsbereich:
Medizin

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