Projekt 36028/01

Ressourcenschonender Beschichtungsprozess unter Entwicklung geeigneter Maskierungen und Rückführung des Materialauftrags

Projektdurchführung

Rybak + Hofmann rhv-Technik GmbH + Co. KG
Eisentalstr. 27
71332 Waiblingen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielsetzung dieses Projektes war es, mittels 3D-Scanner und 3D-Drucker für beliebige Bauteile eine spezi-fische Maskierung zu erstellen, die gewünschte Stellen abdeckt, welche beim thermischen Spritzverfahren nicht beschichtet werden sollen.
Die Maskierungen sollen mehrfach verwendet werden können, wodurch die Umwelt erheblich entlastet und die Unternehmen zudem von deutlich schnelleren Bearbeitungszeiten profitieren. Bisher mussten alle Werkstücke aufwendig per Hand abgeklebt werden und die verschiedenen Prozessschritte durchgeführt werden, während denen die Klebebänder nicht beschädigt werden durften. Außerdem ist es nicht mehr nö-tig, Klebereste mittels der aggressiven Lösungsmittel zu entfernen. Zusätzlich soll durch die 3D-Scans mögliche zielgerichtete Rückführung des Schichtauftrags Werkstoff eingespart werden. Dieser ist bei der Herstellung und Verarbeitung energieaufwändig und teuer. Nachdem der jeweilige Auftrag abgeschlossen und auch kein weiterer vorhersehbar ist, soll die entsprechende Maskierung recycelt werden können, um weitere Rohstoffe und Transportwege einzusparen.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer 3D-Scanner muss in der Lage sein, das Bauteil vollständig zu erfassen und die Daten in eine 3D-Software zum virtuellen Modulieren von Oberflächen zu übertragen. Aus den 3D-Daten des Scanners wird mittels einer CAD-Software dann die optimale ein- oder mehrteilige Maskierung generiert. Die entweder aus einem Bestand entnommen wird, oder durch einen 3D-Drucker angefertigt werden soll. Außerdem ist es durch die Erfassung und den Vergleich der Daten vor und nach der Beschichtung möglich, eine exakte Aussage über Verzug, Beschädigungen o.ä. zu geben. Dies ist insbesondere bei der Bearbeitung von Re-paraturen erforderlich, um das Ersatzteil wieder voll funktionstüchtig zu machen und so eine energetisch und ressourcentechnisch aufwändige Neufertigung zu umgehen. Der Beschichtungsprozess wird bedarfs-gerecht ausgehend von der tatsächlich vorhandenen Topologie in Bezug auf die gewünschte Form hin an-gepasst. Zudem kann der Beschichtungsprozess so optimiert werden, dass nahezu kein Material zu viel aufgetragen wird, dass nach aktuellem Stand in einem weiteren Schritt wieder spanend abgetragen werden muss.
Es wurden weitere Druckmaterialien und -verfahren untersucht und getestet, die möglichst umweltfreund-lich sind und trotzdem den Beschichtungsprozess gut überstehen. Ziel war es, ein Druckmaterial zu finden, das es erlaubt die verwendeten Maskierungen, die nicht mehr gebraucht werden, vor Ort aufzubereiten und erneut als Druck-Filament zu verwenden. So kann eine enorme Menge an Material und Müll eingespart wer-den.
Es wurden exemplarische Beschichtungsverfahren und Bauteilgeometrien im Expertenteam bestimmt. Eine Bewertungsmatrix zur objektiven Evaluation der Maskierungen wurde erarbeitet. Zur Standardisie-rung des Scan-Prozesses wurde dieser mittels Beschleunigungssensorik am Scanner und Kamerasys-tem aufgezeichnet. Anschließend wurden die 3D Oberflächendaten in passgenaue STL-Datensätze für 3D-Drucker übertragen und mehrere Muster in verschiedenen Materialien konstruiert. Weitere Tätigkeiten waren:
- Simulation, Fertigung und Lösungsansätze durch Hochschule
- Konstruktion und Versuche, Auswertung
- temporäres Scannen der Kontur zur Bewertung des Schichtaufbaus auf der Maskierung
- Untersuchung zur Tauglichkeit der Maskierung als Handlings Tool
- Dauerfestigkeitsprüfung bei verschiedenen Materialien
- Untersuchung von umweltfreundlichen Druckmaterialien auf ihre Widerstandsfähigkeit.
- Entsprechende Proben aus dem Material drucken
- Untersuchung der biologischen Abbaubarkeit.



Ergebnisse und Diskussion

Die Entwicklung der Maskierungen wird durch etliche Versuche und Tests gestützt. Durch einen standar-disierten Konstruktionsprozess, der die Vorteile zweier additiver Fertigungsverfahren verbindet, wird die optimale Maskierung realisiert. Durch die gummiartigen Maskierungshüllen sind sehr präzise Trennkanten möglich und die Maskierungen können durch die Flexibilität des Materials einfach aufgesteckt und am Beschichtungsbauteil eingehakt werden. Die Aufteilung der Maskierungshüllen in mehrere Teile erleichtert die additive Fertigung dieser und erhöht die Wirtschaftlichkeit. Lediglich Komponenten, die direkt vom Beschichtungsstrahl getroffen werden, müssen öfter gewechselt werden. Die restlichen Maskierungs-komponenten können bis zu 50-Mal wiederverwendet werden. Der neue Maskierungsvorgang benötigt in der Montage nur wenige Sekunden. Dem gegenüber steht in der ökonomischen Betrachtung die händi-sche Maskierung mit Klebeband, das Kantenfeilen und die Reinigung der Beschichtungsbauteile. Alles in allem kann jedoch eine sehr positive wirtschaftliche Prognose gegeben werden. Die serientauglichen Maskierungen sind nach 19 bzw. 15 thermischen Beschichtungen wirtschaftlicher als die Maskierung mit Klebeband. Darüber hinaus fallen Fixkosten in Form von 3D-Scan und Konstruktion nur einmalig pro Be-schichtungsbauteil an. Bei wiederkehrenden Bauteilen ist dies ein großer Vorteil.
Die ökologische Betrachtung stellt die Grenzen des Prozesses dar. Bei allen der getesteten Materialien hat sich lediglich eines als tauglich herausgestellt. Die Wandung muss ebenfalls eingehalten werden, um eine vernünftige Standzeit zu erzielen. Dies verkleinert den Spielraum für eine ökologische Verbesserung durch den neuen Prozess. Vergleicht man die Maskierungsprozesse direkt, emittieren die additiv gefer-tigten Maskierungen mehr CO2 als die Maskierung mit Klebeband. Dennoch ist das Müllaufkommen mit den additiv gefertigten Maskierungen aufgrund der Wiederverwertung deutlich geringer. Die Hartschalen können sogar bis zu zweimal recycelt und zu neuem Filament verarbeitet werden. Weitere Grenzen des Prozesses können sehr große Bauteile darstellen. Aktuelle 3D-Drucker sind begrenzt in ihrem Bauraum. Insbesondere die MSLA-Drucker, sind meist nur in begrenztem Bauraum verfügbar. Bei größeren Bauteilen muss die Maskierung folglich in mehrere Teile geteilt werden. Dies ist prinzipiell möglich, jedoch birgt dies einen erhöhten Konstruktionsaufwand. Der Druck im MSLA-Verfahren, sollte eine Maximalgröße nicht über-schreiten, da sonst unvorhersehbare Fehler in der gefertigten Maskierungshülle auftreten können. Im Forschungsprojekt wurde mit einem recht simplen und preiswerten MSLA-Drucker geforscht. Robustere Geräte könnten den Prozess stabiler gestalten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

• Präsentation der aktuellen Ergebnisse durch Masterrand am 20.07.2022 zum Themenbereich
Advanced Materials and Manufacturing an der Hochschule Aalen

• Gewinn der deutschen 3D-Druck Challenge 2022 mit dem Projekt „3D-Beschichtung“ (Vorstellung der Maskierungen und bei der rhv-Technik entwickeltes Schichtsystem für gedruckte Kunststoffbautei-le).

• Präsentation der aktuellen Ergebnisse durch Masterrand am 09.11. 2023 zum Themenbereich Ad-vanced Manufacturing an der Hochschule Aalen

• Wiederverwendbare Abdeckungen aus dem ökologischen 3D Druck im „limes“ Das Magazin der Hochschule Aalen 01/2022

• Entwicklung additiv gefertigter Maskierungen für einen umweltfreundlichen Beschichtungsprozess in Schweißen und Schneiden 6/2023

• Entwicklung additiv gefertigten Maskierungen im Journal für Oberflächentechnik (Springer Nature) Ausgabe November 2023



Fazit

Die Benutzung additiv gefertigter Maskierungen bietet zusammenfassend große Chancen, die auch weit über den Anwendungsfall des thermischen Beschichtens hinausragen. Die Anwendung in Strahl- oder Lackierbetrieben ist durch den Entfall des Hitzeeinflusses uneingeschränkt denkbar. Größter Vorteil des Verfahrens ist allerdings die äußerst präzise Kante nach dem Beschichten. Trennungen von Beschich-tungsbereichen und nicht zu beschichtenden Bereichen auf einer Fläche ohne direkte Kante, können oh-ne Messen und Markieren schnell und präzise maskiert werden.