Die Direktextrusionsanlage ist auf die präzise additive Fertigung großformatiger Bauteile ausgelegt. (Bild: alle Hans Weber)
Herzstück der DX-Anlagen des Unternehmens Hans Weber sind die auf einen hohen Materialausstoß ausgelegten Additive-Extruder, die für diesen neuen Einsatzbereich eigens angepasst wurden. Dabei steht vor allem die Leichtbauweise für den bewegten Einsatz sowie die optimierte Schneckengeometrie in Kombination mit robusten Servoantrieben im Fokus. Denn der für den im Anwendungsfall sehr wichtige variable Materialaustrag entscheidet im Allgemeinen über den Erfolg des Fertigungsprozesses. Generell gilt jedoch bei der Direktextrusion wie auch bei jedem anderen Fertigungsverfahren, dass Materialien für den entsprechenden Prozess optimiert werden müssen. Zwar ist das Verfahren darauf ausgelegt, Kunststoff in Granulatform zu verarbeiten, jedoch sind im Vergleich zum Spritzgießen beispielsweise andere Anforderungen an die Verarbeitungseigenschaften gegeben. Allen voran betrifft dies das Fließverhalten der Polymerschmelze und deren möglichst maximale Haftung auf abgekühltem Material, aber gleichermaßen auch die allgemeinen Verzugseigenschaften.
Fertigung in der dritten Dimension
Seit Anfang 2019 wird bei der Hans Weber Maschinenfabrik aus dem oberfränkischen Kronach die additive Fertigung neu gedacht. Dabei treibt insbesondere das hausinterne Know-how im Bereich der Prozesstechnik innerhalb der klassischen Extrusion die technischen Entwicklungen der neu gegründeten Unternehmenssparte voran. Derzeit umfasst das Produktportfolio zwei industrielle Maschinenlösungen für den Großformat-3D-Druck. Dabei stellt das Portalsystem DX 025 mit seiner hohen Präzision, Dynamik und Geschwindigkeit eine sehr hohe Prozessstabilität sicher. Denn es ist bekannt, dass additive Fertigungsverfahren sehr sensibel auf sich verändernde Umgebungseinflüsse reagieren – und dies zumeist im negativen Sinne. Dies gilt umso mehr für Betrieb von Großraumanlagen. Deshalb sorgt das durch eine Doppeltür gesicherte System für die Abschottung des schichtweisen Bauteilaufbaus von Luftströmungen und allzu großen Temperaturschwankungen. Die bis 150 °C beheizbare Bauplattform ermöglicht hierbei eine für den Druckprozess vorteilhafte Erwärmung des Bauraums. So können Verzugserscheinungen reduziert werden, die durch prozessbedingt unvermeidbare Temperaturgradienten über die Bauteilhöhe entstehen. Verursacht werden diese durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeeintrag in den unteren Materiallagen infolge der Bauplattenbeheizung und dem Abkühlen der darüberliegenden Schichten. Darüber hinaus stellt die DX 025 eine anwenderfreundliche Komplettlösung dar, in welcher weitere benötigte Aggregate wie Materialtrockner oder Chiller in einem seitlich integrierten Raum verstaubar sind.
Zudem komplettiert die robotische Anlage DXR die Produktpalette von Weber Additive. Dieses System wurde für ein Maximum an Flexibilität in der additiven Bauteilfertigung konzipiert. Hierfür sorgt in erster Linie eine robotische 6-Achs-Kinematik, die den angebrachten Extruder über die Bauplattform bewegt. So wird der mehrachsige 3D-Druck analog der Arbeitsweise einer 6-Achs-Fräsmaschine realisierbar. Der Anwender hat die Möglichkeit – abgestimmt auf seine spezifische Applikation und die damit verbundenen technischen Anforderungen – aus dem umfangreichen Angebot aus verschiedenen Additive-Extrudern zu wählen. Darüber hinaus bietet eine große Bandbreite an Düsen unterschiedlichen Durchmessers die Möglichkeit, Spurbreite und Schichthöhe in einem großen Bereich variieren zu können.
Die Vielfalt der additiven Fertigung
Aufbau der Bauteilschichten
Die Bandbreite der verfügbaren AM-Verfahren ist groß. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in den zu verarbeitenden Materialien, deren Form und des physikalischen Prinzips, welches für die Schichtgenerierung genutzt wird. Was sie jedoch alle eint, ist die zugrundeliegende Prozesskette. Ausgangspunkt ist immer ein CAD-Datensatz als Oberflächenmodell. Im Slicer, einer Software zur virtuellen Schichtgenerierung, werden alle relevanten Prozessparameter festgelegt und als G-Code gespeichert. Ausgehend von diesem Datensatz baut die AM-Anlage das physische Bauteil Schicht für Schicht auf. Bei der Direktextrusion – auch Fused Granular Fabrication (FGF) genannt – geschieht dies konkret durch die Aufschmelzung des zugeführten Kunststoffgranulats im Extruder, welcher vertikal montiert entsprechend des im Slicer festgelegten Pfades über der beheizten Bauplattform verfährt und dabei das plastifizierte Polymer ablegt. Mit dieser Technologie lassen sich so komplexe und großvolumige Bauteile durch gezielten Materialeinsatz schnell und kostengünstig herstellen. Gerade für den Einsatz im Prototypenbau oder in der Fertigung von Bauteilen mit kleinen Losgrößen, die womöglich je nach Anwendungsfall leicht adaptiert werden müssen, sind die DX-Anlagen von Weber bestens geeignet. Aber auch beim Realisieren von anspruchsvollen Freiformstrukturen, wie sie häufig in den Bereichen Architektur und Design erdacht werden, spielt die Direktextrusion ihre Stärken aus.
Weitere Entwicklungsschritte geplant
Das Produktdesign und die 3D-Druck-Anwendung wurden von 3F Studio entwickelt.
„Wir haben das Potenzial der additiven Fertigung erkannt und sehen unser Unternehmen für die Zukunft gut aufgestellt“, sagt Manuel Kolb, kaufmännischer Leiter von Weber Additive. „Mit der Direktextrusion möchten wir unseren Kunden eine neue Technologie an die Hand geben, welche die Grenzen des technisch Machbaren verschiebt. Sicherlich wird sie die etablierten Herstellungsmethoden nicht ablösen, aber stellt sie doch eine gewichtige Ergänzung im Portfolio der Fertigungsverfahren dar. Derzeit werden weitere Entwicklungen an den Anlagen verfolgt.“ So sollen demnächst durch Implementierung eines schwenkbaren Tisches sowie eines beheizbaren Bauraums in der DX 025 die Vorzüge des robotischen mit denen des Portalsystems kombiniert werden, wodurch unter anderem die Verarbeitung von Hochtemperaturkunststoffen ermöglicht wird. Auch das Aufdrucken auf bereits vorhandene Strukturen mittels Multi-Axis-Slicing stellt einen der nächsten Meilensteine in der Entwicklung hin zu einer bestmöglich auf Kundenanforderungen abgestimmten industriellen Komplettlösung im Bereich des „Large Scale Additive Manufacturing“ dar.
