Praxis-Check 3D-Druck mit Stichnoth: Schmuck aus dem 3D-Drucker
Die Goldschmiede Stichnoth aus Hannover ist seit 1954 als Schmuck- und Uhrenmanufaktur tätig. In der Schmuckproduktion wird bereits der 3D-Druck für Gussformen eingesetzt. Im Praxis-Check 3D-Druck sollten die individuellen Schmuckstücke unmittelbar aus dem 3D-Drucker entstehen.
Die Idee
Mit Hilfe des 3D-Druckers werden innerhalb der Produktion der Goldschmiede Stichnoth bereits Wachsformen gefertigt, welche anschließend für traditionelle Gussverfahren genutzt werden. Der Schmuck wird in diesem Fall dann per Hand weiterbearbeitet und fertiggestellt. Der Praxis-Check 3D-Druck sollte neue Erkenntnisse liefern, Ringe und andere Schmuckstücke direkt schichtweise aufzubauen, bevor sie endbearbeitet werden. Auch die Schmuckveredelung durch den Auftrag von dünnen Metallschichten war u.a. Bestandteil des Praxis-Checks.
Wir benötigen Ihre Zustimmung um den Inhalt von YouTube laden zu können.Die Umsetzung
Im ersten Schritt des Praxis-Checks stellte die Goldschmiede Stichnoth dem Team von Niedersachsen ADDITIV verschiedene CAD-Dateien zur Verfügung – mit Modellen der Kröpcke Uhr, einer Quaste und zwei unterschiedlichen Ringen. Die Herausforderung lag in Bereichen innerhalb der Modelle, die in den meisten 3D-Druckverfahren zusätzlich gestützt werden müssen.
Zuerst wählte das Team von Niedersachsen ADDITIV das pulverbettbasierte Druckverfahren (LPBF-Verfahren), welches sich zur Fertigung filigraner und komplexer Geometrien mit Hinterschneidungen bis hin zu Freiformflächen und Gitterstrukturen eignet. Im Projekt wurde zu Demonstrationszwecken Pulver aus einer Kupfer-Zinn Legierung (Bronze) gewählt. Um den zeitlichen Aufwand innerhalb der Produktion zu minimieren, wurden mehrere Bauteile nebeneinander digital im Bauraum orientiert und positioniert. So konnten gleich mehrere komplexe Modelle wie die Kröpcke-Uhr, zwei Spitzen und eine Quaste in knapp einer Arbeitsschicht oder alternativ über Nacht hergestellt werden.
Eine weitere Herausforderung innerhalb des Umsetzungsprojekts: Typischerweise sind Bauteile aus dem LPBF-Verfahren durch raue Oberflächen gekennzeichnet. Mit Hilfe von Schleif- und Polierstiften konnte jedoch eine ansprechende, glatte Oberfläche erzeugt werden.
Als alternatives Druckverfahren zum Druck im Pulverbett wurde die badbasierte Photopolymerisation (SLA-Verfahren) als Möglichkeit gewählt, um durch anschließendes Beschichten mit Metall auch ein hochwertiges Erscheinungsbild zu erzielen. In diesem Verfahren trifft UV-Licht partiell auf eine lichtsensitive Monomer-Flüssigkeit (Harz), welche dann aushärtet. So wird eine Lage des späteren Bauteils erzeugt. Dieser Prozess wiederholt sich, bis das Bauteil vollständig gedruckt ist.
Die badbasierte Photopolymerisation erzeugt detailliertere Ergebnisse und druckt mit einem luftdichten Schichtauftrag. Nach dem Druckjob wird das Bauteil abgewaschen und in einer UV- und Wärmekammer ausgehärtet. Nach der finalen Nachbearbeitung konnten die Bauteile im Magnetron-Sputter-Verfahren mit Gold beschichtet werden. Eine gleichmäßige, 80 Nanometer dicke Beschichtung der Strukturen konnte erreicht werden, ohne die Details in den Geometrien abzuschwächen.
Das Ergebnis und das weitere Vorgehen
Im Rahmen des Praxis-Checks war die Additive Fertigung von verschiedenen Ringen und Schmuckstücken aus Bronze im pulverbettbasierten LPBF-Verfahren möglich. Auch aufwendige Freiformflächen und filigrane Strukturen können so vergleichsweise schnell gefertigt und anschließend konventionell nachbearbeitet werden.
Der spannende Austausch zwischen der Goldschmiede Stichnoth und dem LZH wurde auch im Fernsehbeitrag bei “Hallo Niedersachsen” vom NDR festgehalten.
Für die Verarbeitung von teureren Materialien wie insbesondere Gold stellt der effiziente Umgang mit dem Pulvermaterial für den LPBF-Prozess zur Vermeidung von Verlusten eine Herausforderung dar. Ebenso bedarf es bei diesen Metallen auf Grund von Absorptionsverhalten eine Anlagentechnik mit Lasern anderer Wellenlängen (“blaue” oder “grüne” Laser) als bei den standardmäßigen industriellen Anlagen zur Verarbeitung von Edelstahl. Das weitere Vorgehen soll nun in einem Forschungsvorhaben mit der Firma Stichnoth umgesetzt werden. Das Ziel ist die Evaluierung und Entwicklung geeigneter Bearbeitungssysteme zur ressourceneffizienten Additiven Fertigung von Edelmetallen.
