Mannshoch 3D-gedruckt

Die Herstellung des individuell angepassten Kanus erfordert 18 kg ABS zu einem Preis von bei 2,68 EUR/kg.
Die Herstellung dauert nur 12 Stunden. Der konventionelle Formenbau + Abformung benötigt dagegen mehrere
Wochen und kostet mehr als 10.000 EUR. Bildquelle: alle EHB, Schilling

Trotz der vielfältigen Vorzüge der additiven Fertigungsverfahren konnten sich diese für die Serienproduktion bisher nur bedingt durchsetzen. Die Stärken dieser Technologie liegen nach wie vor dort, wo eine starke Individualisierung des einzelnen Produktes im Vordergrund steht und kleine Losgrößen gleichartiger Bauteile gefragt sind. Für die additiven Verfahren insgesamt existiert eine relativ begrenzte Materialverfügbarkeit, bei häufig hohen Materialpreisen. Abhängig vom eingesetzten Verfahren, kann oftmals auch nur ein Werkstoff in einem Bauprozess verarbeitet werden.

Ein Verfahren zu entwickeln, dass diese Nachteile beseitigen kann, war die Motivation von Dr. Martin Schilling. Für den Geschäftsführer eines Unternehmens, das über die Kernbereiche Prototypenbau, Werkzeug- und Formenbau sowie Spritzguss verfügt, lag es nahe, dieses Know-how zu kombinieren, um somit ein neues Verfahrensprinzip zu entwerfen.

Handelsübliche Materialien drucken

Die Grundidee basiert auf einer Granulat-Extruder-Entwicklung, die es erlaubt handelsübliches Kunststoffgranulat zu verarbeiten und somit einen sehr preiswerten Materialeinsatz für den 3D-Druck zu ermöglichen. Im Unterschied zu den pulverbettbasierten Druckverfahren, die lediglich einen 2,5 D-Bauprozess gestatten, wollte Schilling einen „echten 3D-Druckprozess“ realisieren. Die Verfahrenskombination des Extruders mit einem 6-Achs-Knickarmroboter ermöglicht dieses. Neben der nahezu flexiblen dreidimensionalen Druckoption ist der Einsatz des Robotersystems auch die Basis, um großformatige Bauteile drucken zu können.

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Für die Umsetzung des 5-achsigen 3D-Druck-Verfahrens soll zukünftig mit einer feststehende
Extrudereinheit und bewegtem Bauteil gearbeitet werden. (Bildquelle: EAH, 3D-Schilling)

In einem ersten Anlagenaufbau wurde das kinematische Prinzip, der Extruder bewegt sich und das aufzubauende Teil ist ortsfest, gewählt. Damit konnten einfache Bauelemente wie Bälle, Gefäße, Leuchtenkörper umgesetzt werden. Ebenso wurden Hart-Weich-Materialkombinationen hergestellt. Der Farbwechsel erfolgte hierbei noch per Hand. Als Standardgranulate konnten bisher: PP, PS, ABS, PC, TPE verarbeitet werden. Mit der neu zu entwickelnden Anlagekonfiguration sollen sich produktiv massive Teile herstellen lassen, aber auch Bauteile mit komplizierten Strukturen. Der speziell entwickelte Extruder arbeitet kontinuierlich, sodass Teile mit einem Gewicht von ca. 1,5 kg innerhalb von 4 h herstellbar sind.

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Bei der Herstellung von Designgefäßen lässt sich die Farbverlaufscharakterisierung gut untersuchen.

Die Entwicklung dieses neuen Verfahrens für eine hochproduktive Anlage zur additiven Herstellung von Teilen aus beliebigen thermoplastischen Kunststoffen mit hoher Effizienz, ist Forschungsgegenstand in dem geförderten Verbundprojekt HP3D im Rahmen der BMBF-Initiative Produktionsanlagen für Wachstumsmärkte – intelligent einfach und effizient.

In dem Verbundprojekt HP3D haben sich sechs Unternehmen und drei Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen, um interdisziplinär das vorstehend beschriebene Verfahren in eine serientaugliche Produktionsanlage umzusetzen. Im Projekt kooperieren 3D Schilling, Glamaco Engineering, Granula Deutschland, Mebitec Meerbuscher Informationstechnik, Optris, TU Ilmenau, Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und-automatisierung IFF sowie EAH Jena.

In Bewegung mit dem Roboter

Für die Umsetzung des 5-achsigen 3D-Druck-Verfahrens soll zukünftig mit einer feststehenden Extruder-Einheit und bewegtem Bauteil gearbeitet werden. Dies erfordert die Entwicklung einer speziellen Robotersoftware auf der Basis einer inversen Kinematik. Eine andere Herausforderung ist das Herstellen von festigkeitsoptimierten Bauteilen mit einem Bauraum-unabhängigen Aufbau für Großteile dar. Dafür müssen in der Softwarelösung bestimmte Aufbaustrategien (Schalenmodell) und das Legen der einzelnen Bahnen berücksichtigt werden. Die Simulation von Schrumpf und Verzug sowie die Integration von In-situ-Messverfahren zur Prozesssteuerung sind für die erreichbare Präzision des Verfahrens mitbestimmend.

Die Bewegung des Werkstückes erlaubt das Drucken mit einem und mit mehreren Extrudern. Damit wird es möglich für den Aufbau eines Teiles verschiedene Kunststoff-Werkstoffe in einem Bauprozess zu verwenden oder gezielte Funktionalitäten zu erzeugen. Diese Konstellation kann ebenfalls die Möglichkeit bieten, Teile auf Basis von Multimaterial-Systemen zu fertigen.

Um möglichst eine breite Palette an thermoplastischen Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften drucken zur können, wird die Materialentwicklung und –modifikation auch ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten sein. Bezüglich der Anlagenausgestaltung haben sich die Partner festgelegt. Am Projektende soll eine Demonstratoranlage zur Verfügung stehen, mit der verschiedene Bauteilgrößen herstellbar sind, wobei Teile mit 1.000 mm x 1.000 mm x 1.000 mm und einem Gewicht bis zu 25 kg zunächst das Maximum bilden. Bei kleineren Teilen kann auch mit einer Prozesskammer gearbeitet werden, bei Großteilen wird durch eine gezielte Temperaturführung im Arbeitsbereich der prozesskammerfreie Aufbau verfolgt.

Unter Großformat verstehen die Forschungs- und Entwicklungspartner, das Drucken von Bauteilen von 2 m Höhe oder mehr sind. Das hier gedruckte Kanu ist zwar noch nicht wildwassertauglich, wie Entwicklungsingenieur Stiebritz weiß, verfügt aber über eine relative hohe Festigkeit. Der hat die Schwimmtauglichkeit selbst getestet und sieht darin eine wichtige Entwicklungsstufe für Strömungssimulationen und -tests, um die preisintensiven Herstellphasen für die Blasform-Werkzeugherstellung zu reduzieren.

 

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Das Verbindungselement ist geeignet, um Leichtbaustrukturen zu realisieren.

Kosten der Werkzeugherstellung reduzieren

Die Ergebnisse des neuen 3D-Druckverfahrens eröffnen der Konstruktion und Herstellung von komplexen Kunststoffgroßteilen neue Möglichkeiten. Die Kombination Extruder und Roboter sind ein Ansatz, um zukünftig sehr produktiv und flexibel großformatige Bauteile drucken zu können. Durch geringe spezifische Aufwände (keine aufwendigen Formen oder Werkzeuge erforderlich) könnten in Zukunft eine Vielzahl neuer oder verbesserter Produkte in den verschiedensten Marktsegmenten eingeführt werden.

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Die Akteure von „HP3D“ während eines Arbeitstreffens

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Innovationen für Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.

 

Über die Autoren

Dr. Martin Schilling

ist Geschäftsführer von 3D-Schilling in Oberspier.

Michael Möhwald und Prof. Jens Bliedtner

sind an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena im Fachbereich Scitec tätig.

Jean Pierre Bergman

arbeitet an der Technischen Universität Ilmenau.