Die Folienlaminierung ist ein Verfahren der additiven Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck. Diese Verfahren haben die Entwicklungsprozesse von Prototypen und Funktionsteilen in verschiedenen Branchen verändert. Die Folienlaminierung ist einzigartig, da sie schnell und kostengünstig ist und mit einer Vielzahl von Materialien wie Papier, Kunststoff usw. verarbeitet werden kann.
In diesem Artikel erfahren Sie, was Folienkaschierung ist, den Prozess, die Arten, Techniken, die verschiedenen verwendeten Materialien, ihre Vorteile, Einschränkungen und praktischen Anwendungen. Dieser umfassende Überblick hilft Ihnen, die Einzigartigkeit der Folienkaschierung als generative Fertigungs Methode.
Inhalte
Was ist Blattkaschierung?
Folienlaminierung ist ein Verfahren zum Aufbau dreidimensionaler (3D-)Objekte durch schichtweises Verbinden von Materialschichten wie Papier, Metallfolie oder Kunststoff. Die Laminierung erfolgt durch Klebstoffe, Hitze, Druck oder sogar Ultraschallschweißen.
Kurze Geschichte und Marktübersicht
Das Verfahren stammt aus den frühen 1990er Jahren. 1991 brachte das Unternehmen Helisys erstmals die Blattlaminierung auf den Markt. 2003 führten die irischen Ingenieure Conor und Fintan MacCormack eine papierbasierte Variante namens Selective Deposition Lamination (SDL) ein und brachten sie 2005 über Mcor Technologies auf den Markt.
Laut einer Umfrage von Verified Market Reports wird für die Folienkaschierung eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 10.5 % erwartet. Der Markt soll von 2.5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 6.3 Milliarden US-Dollar im Jahr 2033 wachsen. Dies ist auf die zunehmende Attraktivität der Kaschierung in verschiedenen Branchen zurückzuführen, da sich Materialien und Verbindungsmethoden verbessern.
Folienkaschierungsprozess
Der Folienkaschierungsprozess erfolgt schrittweise und ermöglicht so eine schnelle und relativ kostengünstige Produktion. So funktioniert es:
Blattzuführung
Beginnen Sie den Vorgang, indem Sie ein Blatt Material (z. B. Papier, Kunststoff oder Metallfolie) von der Walze auf die Bauplattform führen.
Bindung
Der nächste Schritt besteht darin, die Folie mit der vorherigen Schicht zu verbinden. Dieser Schritt hängt jedoch von der verwendeten Folienkaschierungstechnik ab. Die Verbindung erfolgt mit verschiedenen Methoden, wie zum Beispiel:
- Thermisches Verbinden – dabei werden die Schichten durch Wärmezufuhr verbunden.
- Klebeverbindung – hier wird Klebstoff oder Harz zur Verbindung verwendet.
- Ultraschallschweißen – hierbei werden Bleche durch hochfrequente Schwingungen verschweißt, ohne dass sie schmelzen.
Die Form schneiden
In diesem Schritt wird entweder mit einem Laser oder einer Klinge das Profil des Teils präzise aus der geklebten Platte geschnitten. Die ungeschnittenen Bereiche dienen als Stützmaterial und werden nach dem Bau entfernt.
Schichtaufbau und Teilebildung
Fügen Sie hier neue Blätter hinzu und verkleben Sie diese weiter, während Sie jedes Blatt entsprechend dem 3D-Modell formen. Dies wird so lange fortgesetzt, bis die endgültige Geometrie erstellt und das überschüssige Material entfernt ist.
Nachbearbeitung
Dieser Vorgang ist optional. Die Nachbearbeitung kann eine mechanische Bearbeitung und Oberflächenveredelung zur Verbesserung der Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität umfassen.
Arten von Blattlaminierungstechniken
Laminierte Objektherstellung (LOM)
Dies ist eine der ältesten Folienlaminierungstechnologien. Bei LOM wird jede frisch verlegte, kleberbeschichtete Folie heiß auf den Stapel gepresst und sofort per Laser oder Messer in die gewünschte Kontur geschnitten, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird. LOM wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise bei der Herstellung von Architekturmodellen, Prototypen unterschiedlicher Formen und Werbeträgern.
Selektive Schichtabscheidung (SDL)
Bei diesem Druckverfahren handelt es sich um einen 3D-Druck auf Papierbasis, nicht auf Kunststoff oder anderen Polymeren. SDL färbt dabei zunächst jedes Blatt mit einem selektiven Klebemuster ein, verbindet es unter Hitze und Druck mit dem Stapel und schneidet erst dann mit einer Wolframklinge den Umriss der neuen Schicht aus.
Ultraschall Additive Fertigung (UAM)
Hier werden die Materialien mittels Ultraschallschweißen verbunden. Die Materialien schmelzen nicht, da hochfrequente Schwingungen die Metalloberflächen verbinden, während die Metalle selbst fest bleiben. Das Verfahren eignet sich ideal für die Einbettung von Elektronik und die Herstellung leichter Metallstrukturen.
Kunststofffolienkaschierung (PSL)
In diesem Fall erfolgt die Verbindung ohne den Einsatz von Klebstoffen. Die Schichten der Polymermaterialien werden durch Hitze miteinander verbunden. Dieses Verfahren wird für Rapid Prototyping und Lehrmodelle verwendet.
Herstellung von Verbundobjekten durch selektive Laminierung (SLCOM)
Hierbei handelt es sich um eine andere Technik, bei der die Laminierung mit Basismaterialien wie Thermoplasten und gewebten (Kohle-)Fasern erfolgt. Sie eignet sich ideal für die Herstellung von Leichtbauteilen für die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie.
Bei der Folienkaschierung verwendete Materialien
Für die Folienkaschierung kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz, es kommt jedoch auf die Technik und Anwendung an:
Papierbasierte Blätter
Diese Materialien sind erschwinglich, leicht verfügbar und werden häufig in LOM verwendet. Ihnen fehlt die Festigkeit und Haltbarkeit, was sie ideal für visuelle Modelle macht.
Metallfolien
Dabei handelt es sich um Materialien wie Kupfer und Aluminium, die für UAM sehr nützlich sind. Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer Festigkeit und Haltbarkeit werden sie für Strukturteile und eingebettete Schaltkreise verwendet.
Kunststofffolien
Materialien wie Polycarbonat werden aufgrund ihrer einzigartigen mechanischen Eigenschaften verwendet. Sie lassen sich zudem recht einfach verarbeiten und eignen sich für die Herstellung von medizinischen Komponenten und Konsumgütern.
Folienkaschierung: Vorteile und Grenzen
Vorteile
- Kostengünstige Materialien
Papier- und Plastikfolien sind günstig und überall erhältlich.
- Hochgeschwindigkeitsdruck
Durch den blattbasierten Ansatz können Ebenen schnell hinzugefügt werden.
- Minimaler Materialabfall
Es werden nur die Schnittflächen verwendet, wodurch Abfall reduziert wird.
- Große Teilegrößen
Es eignet sich für große Modelle wie architektonische Strukturen.
- Gut für visuelle Prototypen
Es werden Teile mit einer ordentlichen Oberflächenbeschaffenheit zur Anzeige hergestellt.
Einschränkungen
- Geringere Stärke
Den Teilen fehlt oft die strukturelle Integrität der Teile aus anderen additiven Fertigungsverfahren wie selektivem Lasersintern oder Fused Deposition Modeling.
- Schlechte Zwischenschichthaftung
Dies hängt von der Verbindungsmethode und dem verwendeten Material ab.
- Eingeschränkte Auflösung oder Detailgenauigkeit
Die Kanten sind möglicherweise weniger scharf als bei Drucken auf Pulver- oder Harzbasis.
- Anforderungen an die Nachbearbeitung
Diese sind oft erforderlich, um Genauigkeit und Finish zu verbessern.
Anwendungen zur Folienkaschierung
Die Folienkaschierung ist in verschiedenen Branchen wichtig, insbesondere dort, wo Kosten, Geschwindigkeit und Teilegröße entscheidend sind. Um nur einige zu nennen:
Industrielles Prototyping
Die Folienkaschierung ist günstig und flexibel genug, um Ingenieuren und Designern die Möglichkeit zu geben, damit zu experimentieren. Sie ermöglicht die schnelle und kostengünstige Erstellung visueller Modelle und Prototypen für Test- und Validierungszwecke.
Architekturmodelle
Es eignet sich ideal für die Herstellung detaillierter maßstabsgetreuer Modelle von Gebäuden und Bauwerken.
Bildungs- und Schulungstools
Es wird in Schulen und Ausbildungszentren als Anschauungsmaterial und als physische Demonstrationsmodelle verwendet.
Eingebettete Elektronik
Mithilfe der additiven Fertigung mit Ultraschall werden Sensoren und Kabel in massive Metallteile in der Elektronik eingebettet.
Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie
Die Fähigkeit, dünne Bleche zu laminieren, eignet sich ideal für die Herstellung stabiler und dennoch leichter Bauteile. Diese Bauteile werden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie für Anwendungen eingesetzt, die Zuverlässigkeit und Präzision erfordern.
FAQ
Welche Parameter beeinflussen die Folienkaschierung?
Für eine hochwertige Laminierung sind Parameter wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit und Dauer entscheidend. Diese Parameterwerte variieren je nach Materialtyp. Beispielsweise kann dickes Papier zwischen 115 und 150 g/m²-2 benötigt einen Druck von 3 – 4 bar, Temperatur von 95 – 100 oC und einer Geschwindigkeit von 10 – 15 m/min.
Welche Normen gelten für folienkaschierte Produkte?
Mehrere ISO- und ASTM-Richtlinien gewährleisten die Haltbarkeit, Genauigkeit und Qualität von laminierten Produkten. Dazu gehören:
- ISO/ASTM 52900 und 52920 – Definition und Qualitätssicherungsverordnung.
- ISO/ASTM 52931.
Kann die Folienkaschierung für Endverbrauchsteile oder nur für Prototypen verwendet werden?
Ja, das ist möglich. Mit Techniken wie Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) und Selective Lamination Composite Object Manufacturing (SLCOM) lassen sich funktionale Endprodukte herstellen. Dazu gehören Leichtmetallkomponenten für die Luft- und Raumfahrt oder eingebettete Elektronik, wo Festigkeit und Funktionalität gefragt sind.
Aufgrund der geringeren Zwischenschichthaftung und Auflösung ist es jedoch nicht ideal für stark beanspruchte Teile, sofern es nicht verstärkt wird. Daher hängt die Möglichkeit der Verwendung von Folienkaschierung für die Endanwendung vom Material, der Technik und den Leistungsanforderungen ab.
Welche Sicherheitsvorkehrungen sind beim Betrieb von Folienkaschiermaschinen erforderlich?
Obwohl die Folienlaminierung als 3D-Druckverfahren mit geringem Risiko gilt, sollten einige Sicherheitsmaßnahmen beachtet werden:
- Tragen Sie beim Umgang mit heißen Oberflächen oder Klebstoffen Schutzhandschuhe.
- Sorgen Sie bei der Verwendung von Klebstoffen, die Dämpfe abgeben können, für Belüftung.
- Tragen Sie beim Ultraschallschweißen oder Laserschneiden eine Schutzbrille.
- Halten Sie persönliche Gegenstände von beweglichen Teilen fern, um ein Verwickeln zu vermeiden.
- Halten Sie Ihren Arbeitsbereich sauber, um Unfälle zu vermeiden.
Die Bediener sollten außerdem die Maschinenrichtlinien des Herstellers befolgen und in den Not-Aus-Verfahren geschult sein.