Infillstruktur für Wirbelsäulenkäfige (Bild: alle Kumovis)
Ein Blick in aktuelle Trendreports, liefert die immer gleichen Schlagwörter wie Industrie 4.0, Internet of Things oder Blockchain-Technologie. Auch jegliche Entwicklungen rund um die additive Fertigung sind weiterhin hoch im Kurs, obwohl die ersten 3D-Drucker bereits vor 30 Jahren genutzt wurden. Fortwährende Entwicklung sowie ein starker Hype in der Maker-Szene, der sogenannten Rep-Rap-Bewegung, haben der additiven Fertigung in den vergangenen Jahren geholfen sich zu etablieren. Die anfänglich sehr hohen Kosten wurden reduziert und die Fertigungsqualität gesteigert. Die Digitalisierung von Prozessketten und die verbesserte Reproduzierbarkeit von 3D-gedruckten Bauteilen machen die additive Fertigung mittlerweile zu einer vielversprechenden Technologie für eine bedarfsgerechte, dezentrale Produktion. Sie steht daher zu Recht auf der Liste der großen Trends.
Herausforderungen nach wie vor hoch
Um die gestiegenen Erwartungen an die additive Fertigung zu erfüllen, ist jedoch eine Vielzahl an Herausforderungen zu bewältigen. Die wohl wichtigsten Bedingungen sind eine hohe Prozessstabilität, gefolgt von guten Bauteileigenschaften und Materialvielfalt sowie eine kürzere Produktionszeit.
Im Kunststoffbereich bieten Fertigungsverfahren wie Multi Jet Fusion oder Selektives Lasersintern bereits qualitativ gute Ergebnisse. Auch wurde bei der Fertigungsgeschwindigkeit ein großer Schritt in Richtung Serienfertigung gemacht. Die Materialauswahl ist jedoch meist auf Polyamid sowie wenige weitere Kunststoffe limitiert und Maschinen sowie Prozesskosten sind nach wie vor oft wirtschaftlich unrentabel.
Obwohl das Fused Layer Manufacturing (FLM)-Verfahren für Industrieanwendungen oft als unzureichend eingestuft wurde, bietet es für den Prototypenbau sowie Einzelteilfertigung in einem breiten Materialfeld enormes Potenzial. Ein Großteil der Hersteller im Bereich der FLM-Technologien beschränkt sich jedoch auf amorphe, leicht zu verarbeitende Thermoplaste wie PLA, ABS oder PET. Dies liegt insbesondere an einer unzureichenden Betrachtung des thermischen Prozessmanagements und dem damit einhergehenden Verzug der Bauteile.
Es existieren weiterhin Lücken, insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit beim Einsatz von preiswerten Maschinen und bei der Verarbeitbarkeit von Spezialkunststoffen. Das Unternehmen Kumovis ist bestrebt, diese Lücke zu schließen. Zum Zielmarkt gehören industrielle Anwendungen mit einer klaren Spezialisierung auf medizintechnische Anwendungen.
Voraussetzungen für optimierten Druck
Innenansicht des 3D-Druckers
Beim Verarbeiten von Thermoplasten, besonders bei Hochleistungspolymeren wie PEEK, PEKK oder PEI muss der Fokus sinngemäß auf der optimierten Kontrolle des thermischen Prozesses liegen. Obwohl aktuelle 3D-Drucker vermehrt auch aktive Bauraumheizungen integriert haben, beschränken sich die Temperaturen meist auf maximal 80 bis 100 °C. Diese haben zusätzlich den Nachteil, dass meist ein Temperaturgradient innerhalb des Bauraums herrscht und somit ein überwachbares und wiederholgenaues Temperatur-Prozess-Management nicht möglich ist. Sollen Bauteile, insbesondere aus Hochleistungskunststoffen wie PEEK, reproduzierbar gefertigt werden, so muss im Prinzip bei jeder Schicht die Temperatur gradgenau einstellbar sein.
Derzeit existiert kein System, welches das zufriedenstellend gewährleistet. Kumovis hat aus diesem Grund ein 3D-Drucksystem mit einem alternativen Ansatz zum Temperaturprozessmanagement entwickelt. Das System ermöglicht, Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen in guter Qualität reproduzierbar zu fertigen.
Für einen optimierten Druckprozess wurden zwei Kernvoraussetzungen definiert. Zum einen muss das gesamte Bauteil in einem homogen verteilten und polymerspezifisch einstellbaren Temperaturfeld liegen. Dadurch lassen sich Verzugseffekte bei teilkristallinen Werkstoffen vermeiden. Zum anderen muss die Temperatur auf der Oberfläche des produzierten Bauteils einstellbar sein, um eine gute Qualität der Schichthaftung in z-Richtung zu gewährleisten.
Laminarer Luftstrom als zentrale Technologie
Der grundlegende Ansatz zur Kontrolle dieser Punkte basiert auf einem temperierten Luftkreislauf, welcher den Bauraum regelbar mit heißer Luft bis zu 250 °C durchströmt. Durch die regelbare Umgebungstemperatur im Bauraum wird gewährleistet, dass der gesamte Druckprozess über der Glasübergangstemperatur des verarbeiteten Kunststoffs stattfindet. Ist der Druckprozesses beendet, so kühlt das Bauteil langsam auf Raumtemperatur ab. Auf diese Weise werden innere Spannungen oder Verzug vermieden. Zusätzlich wird dadurch eine gleichbleibende Temperatur beim Auftragen der Kunststoffschmelze erreicht. Daraus resultieren eine verbesserte Schichthaftung und reproduzierbare mechanische Eigenschaften in Aufbaurichtung. Um weitere Einflussfaktoren, wie beispielsweise einen Hitzestau am heißen Druckkopf zu vermeiden, ist zusätzlich eine lokale Luftdüse am Druckkopf angebracht.
Medizintechnische Produkte, welche später mit dem Körper in Kontakt kommen oder in den Körper implantiert werden, müssen frei von Kontaminationen durch Keime oder Partikel sein. Durch die Integration von Hochleistungspartikelfiltern in das laminare Luftkreislaufsystem ist es möglich, eine keim- und partikelfreie Produktion sicherzustellen.
Fehlfunktionen müssen verlässlich detektiert und wichtige Funktionsparameter in Echtzeit überwacht werden. Dafür enthält das Drucksystem Sensorik zum Prozess-Monitoring. So werden unter anderem Temperaturen, Luftstromgeschwindigkeiten und die Druckkopf-Position erfasst. Die Sensorik erkennt mögliche Fehler beim Druck und sorgt für eine gleichbleibende Qualität.
Kosteneffiziente Herstellung von variablen Kleinserien und Prototypen
Durch das Integrieren eines neuen Temperatur-Prozess-Managements ermöglicht Kumovis den Einsatz im industriellen Kontext. Zum einen kann damit ein breites Spektrum an Materialien auf einem einzigen 3D-Drucksystem reproduzierbar gefertigt werden. Zum anderen erhöht das, im Vergleich zu anderen additiven Druckprozessen, günstige FLM-Verfahren die Wirtschaftlichkeit beim Herstellen. Für Industrieunternehmen verkürzen sich Forschungs- und Entwicklungszeiten durch das Fertigen von seriennahen Funktionsprototypen aus Originalmaterialien. Zusätzlich lassen sich kleine Stückzahlen mit hoher Designfreiheit bereitstellen.
Partnerschaften als Schlüssel zum Erfolg
Concept Clean AM
Um neue Technologien wirtschaftlich entwickeln und umsetzen zu können, ist tiefgehendes Fachwissen in vielen Bereichen grundlegend. Für Kumovis stand von Anbeginn an fest, die Entwicklung des 3D-Drucksystems gemeinsam mit Schlüsselpartnern der Bereiche Maschinenbau, Software und Medizintechnik umzusetzen. So begleitet Siegfried Förg, Geschäftsführer des Systemlieferanten GBN Systems, Buch am Buchrain, das Startup mit seiner Expertise von der Ideenfindung bis hin zur Serienüberführung. Das erste kommerziell erhältliche 3D-Drucksystem von Kumovis wird voraussichtlich ab Juni 2019 erhältlich sein. Auch die Umsetzung der Reinraumumgebung erfolgt durch eine Partnerschaft mit dem Spezialisten Max Petek Reinraumtechnik, Radolfzell. Das gemeinsam entwickelte Concept Clean AM für eine dezentrale Fertigung von individualisierten Medizinprodukten wird auf der Fakuma 2018 vorgestellt.
Kontakt
Kumovis, Taufkirchen bei München
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Fakuma Halle A7, Stand 7503
