VAT-Photopolymerisation meets Tribology

Wie Festschmierstoffe aus 3D-gedruckten Kunststoffen reibungsarme Bauteile machen

Die Additive Fertigung hat längst bewiesen, dass sie mehr kann als Prototypen: Sie produziert serienreife Bauteile auch für tribologisch anspruchsvolle Anwendungen wie Zahnräder, Lager oder Gleitflächen. Doch während Thermoplaste wie PA12 oder PEEK in der Tribologie gut erforscht sind, steckt die Vat-Photopolymerisation (VPP, z. B. SLA/DLP) noch in der wissenschaftlichen Aufholjagd. Können photovernetzte Harze überhaupt mit den tribologischen Eigenschaften von Spritzguss-Kunststoffen mithalten?

In unserer Studie, veröffentlicht in Lubricants, zeigen wir: Ja, aber nur mit dem richtigen Rezept. Durch den Einsatz von Festschmierstoffen wie PTFE, Graphit und Molybdändisulfid (MoS₂) lassen sich die Reibung und der Verschleiß von VPP-Bauteilen dramatisch reduzieren, ohne die mechanischen Eigenschaften zu opfern. Hybrid-Systeme aus mehreren Schmierstoffen erzielen sogar synergetische Effekte.

Warum VPP für tribologische Anwendungen?

VPP (z. B. Digital Light Processing, DLP) bietet hochauflösende, glatte Oberflächen, ideal für präzise Bauteile wie Zahnräder oder Gleitlager. Doch während Thermoplaste durch Füllstoffe wie Glasfasern oder PTFE seit Jahrzehnten optimiert werden, fehlt für photovernetzte Harze oft das Know-how. Die Herausforderungen:

Sprödigkeit: Unmodifizierte Photopolymere sind oft brüchig und verschleißen schnell.
Temperaturbeständigkeit: Viele Harze erweichen bereits bei moderaten Temperaturen.
Reibung: Ohne Schmierstoffe liegen die Reibungskoeffizienten deutlich über denen von technisch optimierten Thermoplasten.

Wir haben aliphatische Urethan-Acrylat-Harze mit PTFE, Graphit und MoS₂ modifiziert – einzeln und in Kombination. Das Ergebnis waren Bauteile mit bis zu 50 % weniger Reibung und 90 % weniger Verschleiß bei gleichbleibender Druckbarkeit.

Was bringt welcher Schmierstoff?

Nicht jeder Festschmierstoff wirkt gleich. Hier die wichtigsten Erkenntnisse:

PTFE (Polytetrafluorethylen): Der Allrounder

Stärken: Reduziert Reibung und Verschleiß am stärksten sowohl in unidirektionalen als auch in zyklischen Tests.
Wirkmechanismus: Bildet einen dünnen Transferfilm auf der Gegenfläche (z. B. Stahl), der wie ein „Gleitmittel“ wirkt.
Nachteil: Senkt die Härte und Festigkeit des Harzes leicht ab. Einschränkung der Verwendung wegen Zugehörigkeit zu PFAS.

Graphit: Der Klassiker mit Grenzen

Stärken: Verbessert die tribologischen Eigenschaften, aber weniger effektiv als PTFE.
Problem: Graphit absorbiert stark im UV-Bereich, zu hohe Konzentrationen stören die Aushärtung.
Einsatzgebiet: Gute Ergänzung in Hybrid-Systemen, aber allein nicht ausreichend für Hochlast-Anwendungen.

MoS₂ (Molybdändisulfid): Der Hochlast-Spezialist

Stärken: Besonders wirksam unter hohen Drücken und in zyklischen Belastungen (z. B. wechselnde Bewegungsrichtungen).
Chemischer Bonus: Bildet bei Reibung Schwefelverbindungen, die die Haftung des Transferfilms auf Metalloberflächen verbessern.
Nachteil: Allein eingesetzt weniger wirksam als PTFE, aber in Kombination ein Game-Changer.

Der Hybrid-Effekt: 1 und 1 macht 3 (widewidewitt)

Sehr spannend ist die Erkenntnis, dass Kombinationen aus PTFE und MoS₂ besser abschneiden als jeder Schmierstoff allein. Warum ist das so?

PTFE sorgt für einen stabilen, gleitfähigen Transferfilm.
MoS₂ verstärkt die Haftung dieses Films auf der Gegenfläche besonders bei wechselnden Belastungen (z. B. oszillierende Bewegungen).
Graphit unterstützt als „Puffer“, der die Wärmeentwicklung reduziert.

In einem zyklischen Test (simuliert z. B. ein automatisches Türsystem) zeigte die PTFE/MoS₂-Kombination die beste Performance mit deutlich geringerer Reibung und Verschleiß als reine PTFE- oder MoS₂-Systeme.

Mechanische Eigenschaften: Kein Kompromiss nötig

Ein häufiges Problem bei Füllstoffen ist, dass sie die Tribologie verbessern, gleichzeitig aber die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen. In unserer Studie galt das nicht:

Zugfestigkeit – Leichter Rückgang (erwartbar), aber durch optimierte Aushärtung ausgleichbar.
Schlagzähigkeit – Bleibt auf einem akzeptablen Niveau – wichtig für dynamische Anwendungen.
Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) – Die Glasübergangstemperatur (Tg) bleibt stabil, was bedeutet, dass die Bauteile auch bei höheren Temperaturen ihre Form behalten.

Der Clou dabei ist, dass sich durch die Wahl des Harzsystems (hier: flexibles Urethan-Acrylat) Dämpfungseigenschaften gezielt einstellen lassen, ideal für Anwendungen, bei denen Vibrationen und Geräusche reduziert werden müssen (z. B. Getriebe in Haushaltsgeräten).

Zukunftsperspektiven: Wohin geht die Reise?

VPP hat das Potenzial, tribologische Bauteile nicht nur „gut genug“, sondern hochleistungsfähig herzustellen. Doch was kommt als Nächstes?

Maßgeschneiderte Harze für spezifische Anwendungen
- Hohe Lasten? Mehr MoS₂ und verstärkende Füllstoffe (z. B. Nanopartikel).
- Niedrige Reibung bei Raumtemperatur? PTFE-Dominanz mit Graphit als Wärmeleiter.
- Dämpfung gefragt? Weichere Oligomere mit Hybrid-Schmierstoffen.
Multi-Material-Druck: Lokale Schmierstoff-Depots
Warum das ganze Bauteil modifizieren? DLP/DLP-X-Technologien erlauben es, nur die tribologisch belasteten Zonen (z. B. Zahnflanken eines Rades) mit schmierstoffhaltigem Harz zu drucken – der Rest bleibt unmodifiziert und behält seine ursprüngliche Festigkeit.
Nachhaltige Schmierstoffe: Biobasierte Alternativen
PTFE ist effektiv, aber durch die PFAS-Thematik umweltbedenklich. Forschungsansatz: Ersetzung durch bioabbaubare Festschmierstoffe (z. B. modifizierte Cellulose oder Wachs-Partikel). Es bleibt spannend, ob diese auch die restlichen Anforderungen erfüllen werden.
Industrielle Skalierung: Schnellere Druckprozesse
Aktuell limitiert die Viskosität der gefüllten Harze die Druckgeschwindigkeit. Lösungsansätze: Heiß-Lithographie (z. B. von Cubicure) für hochviskose, hochgefüllte Systeme oder Dual-Cure-Harze (UV + thermische Nachhärtung) für bessere Durchhärtung.

Fazit: VPP ist bereit für die Tribologie – aber es braucht das richtige Materialdesign

Mit den richtigen Festschmierstoffen und Harzformulierungen kann VPP tribologische Bauteile produzieren, die mit Spritzguss-Kunststoffen konkurrieren oder sie sogar übertreffen. Weitere Benefits sind:
✅ Hohe Auflösung und glatte Oberflächen – weniger Nachbearbeitung, bessere Gleiteigenschaften.
✅ Designfreiheit – komplexe Geometrien wie topologieoptimierte Zahnräder sind kein Problem.
✅ Lokale Funktionalisierung – Schmierstoffe nur dort einsetzen, wo sie gebraucht werden.

Jedoch eignet sich nicht jedes Harz für jeden Schmierstoff. Der Schlüssel zum Erfolg liegt im Verständnis der Wechselwirkungen zwischen:

Füllstoff-Typ und -Größe (Nano vs. Mikro, Plättchen vs. Kugeln),
Harzzusammensetzung (Monomer/Oligomer-Verhältnis, Vernetzungsdichte),
Druckparametern (Schichtdicke, Belichtungszeit, Nachhärtung).

Wie sehen Sie das Potenzial von VPP in der Tribologie? Haben Sie bereits Erfahrungen mit modifizierten Photopolymeren gemacht oder sehen Sie andere Anwendungsfelder, in denen solche Materialien game-changing wären?

Wir freuen uns auf den Austausch – und darauf, diese Technologie gemeinsam voranzubringen!

Für die Neugierigen geht es hier zur Studie: https://doi.org/10.3390/lubricants8120104

Danke an alle Co-Autoren, ohne die diese Studie nicht so geschmiert abgelaufen wäre.