Schicht für Schicht zu mehr Stabilität: Neue Möglichkeiten für den 3D-Druck durch integrierte Plasmabehandlung

Oberflächenfunktionalisierung über eine in die additive Fertigung integrierte Plasmaquelle. © Fraunhofer IST, Paul Kurze

Die Plasma-Punktquelle im Einsatz: Behandlung eines 3D-gedruckten Bauteils. © Fraunhofer IST, Paul Kurze / The plasma point source in action: treatment of a 3D printed component. © Fraunhofer IST, Paul Kurze

Additive Fertigungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die Bauteile schichtweise aus z.B. Kunststoffen aufgebaut werden. Die Haftung der einzelnen Lagen spielt dabei eine bedeutende Rolle, da sie die Stabilität der gedruckten Bauteile maßgeblich beeinflusst. Am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST werden derzeit Plasmaquellen entwickelt, die in den 3D-Drucker integriert werden können und so bereits während des Druckprozesses eine gezielte chemische Modifikation der Oberfläche ermöglichen. Dadurch kann u.a. eine deutliche Steigerung der Adhäsion erreicht werden, was zu neuen Optionen für die 3D-gedruckte Bauteilfertigung führt.

Mithilfe von Atmosphärendruckplasmen können Oberflächen gezielt vorbehandelt, gereinigt oder funktionalisiert werden. Der Aufbau der Plasmaquellen ist dabei variabel und kann an die Anwendung angepasst werden: Von punktgenauen Behandlungen kleinster Flächen bis hin zur Bearbeitung von mehreren Metern großen Substratflächen ist alles möglich. Je nach Art der Behandlung können dabei die unterschiedlichsten Funktionen wie z.B. die Steuerung der Haftung von Lacken und Farben oder eine angepasste Benetzbarkeit erreicht werden. Durch die Kombination aus Atmosphärendruck-Plasmabehandlung und 3D-Druck ist es möglich, diese enorme Bandbreite an Funktionen auch im Bereich der additiven Fertigung einzusetzen und so neue Anwendungsfelder des 3D-Drucks zu erschließen. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: von der Kleinserienfertigung mit integrierter Oberflächenmodifikation für spätere Verarbeitungsschritte wie Metallisieren oder Verkleben, über die Herstellung von stabileren 3D-gedruckten Bauteilen bis hin zum experimentellen Einsatz der Plasmaquellen. Mögliche Anwendungen finden sich in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtbranche oder auch der Medizintechnik.

Aktuell wird am Fraunhofer IST eine sogenannte Plasmapunktquelle verwendet, mit der die gedruckten Strukturen auf einer vergleichsweise kleinen Fläche hochaufgelöst modifiziert werden können. Das Besondere daran ist, dass die Quelle selbst klein genug ist, um in einen handelsüblichen 3D-Drucker eingebaut werden zu können. Dadurch kann die Plasmabehandlung direkt nach dem Abscheiden der einzelnen Lagen erfolgen, ohne dass größere Umbauten notwendig sind. Das langfristige Ziel der Arbeiten ist die Integration einer Plasma-Ringquelle, die direkt um die Extrusionsdüse herum platziert wird und so eine Behandlung bereits während des Druckprozesses ermöglicht.