3D-gedruckter Verbissschutz schützt eine Weinrebe während des Feldversuchs.

3D-gedruckter Verbissschutz schützt eine Weinrebe während des Feldversuchs. (Bild: Biofibre)

Additive Fertigung nimmt mehr und mehr Bereiche der industriellen Fertigung ein, die vor einigen Jahren nicht vorstellbar gewesen wären. Insbesondere im Prototypenbau ist die kunststoffbasierte additive Fertigung bereits weit verbreitet. Ein großer Vorteil ist hierbei das dreidimensionale Herstellen von Bauteilen auf Basis von CAD-Daten ohne Werkzeug.

Mit dem schneckenextrusionsbasierten additiven Fertigungsverfahren (SEAM), namens Space A, gelingt es Yizumi einen neuartigen Ansatz zum wirtschaftlichen Herstellen geometrisch komplexer, großförmiger Bauteile aus herkömmlichen Kunststoffgranulaten herzustellen. Mit dem Verfahren verfolgt der Maschinenhersteller das Ziel, additive Fertigungsverfahren für kostenintensive, individualisierte Produkte und Kleinserien in das Rapid Manufacturing zu überführen.

Neue Möglichkeiten durch Robotik

Grundlage der Space A SEAM Maschine ist eine hybride Fertigungszelle auf Grundlage der schneckenbasierten Extrusion. Dieses Konzept wurde erstmalig durch das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen in 2016 vorgestellt, weiterentwickelt und durch Yizumi Deutschland umgesetzt.

Zum Positionieren der Druckerdüse wird ein 6-Achs-Industrieroboter genutzt. Dieser ist so gewählt, dass neben großflächigen, flachen Bauteilen auch großvolumige, dreidimensionale Bauteile bis zu einer Höhe von mehreren Metern gefertigt werden können. Die übliche Beschränkung von Bauteilgröße und Designkomplexität wie bei anderen 3D-Druckverfahren wird durch das hybride Konzept des Maschinenbauers überwunden und öffnet vollkommen neue Möglichkeiten. Durch das Nutzen der Robotik kann die schneckenbasierte Plastifiziereinheit nicht nur schichtweise, sondern auch voll dreidimensional in der Fertigungszelle verfahren werden.

Die schneckenbasierte Extrusion wird mit handelsüblichem Kunststoffgranulat versorgt. Im Vergleich zu filamentbasierten Fertigungsverfahren ist es möglich, auch gefüllte bis hochgefüllte Kunststoffcompounds bei hohen Durchsätzen zu verarbeiten.

Der 3D-Drucker ermöglicht eine schneckenbasierte Extrusion mit handelsüblichem Kunststoffgranulat
Der 3D-Drucker ermöglicht eine schneckenbasierte Extrusion mit handelsüblichem Kunststoffgranulat. (Bild: Yizumi Deutschland)

Biobasiert und biologisch abbaubar

Je nach An- und Verwendung ist das Einsetzen eines biobasierten oder eines biologisch abbaubaren Kunststoffs sinnvoller. Biofibre aus Altdorf bei München bietet ein breites Spektrum an Biokunststoffen mit Naturfaserverstärkung an. Durch die Auswahl von Naturfaser- und Polymerkombinationen werden anwendungsspezifische Rezepturen hergestellt. Die Compounds des Herstellers können sowohl biobasiert und/oder auch biologisch abbaubar sein.

Das Verarbeiten von faserverstärkten Kunststoffstoffen jeglicher Faserart mag in dem einen oder anderen gängigen Kunststoffverarbeitungsverfahren von Nachteil sein, jedoch nicht bei der additiven Fertigung mittels Schneckenextrusion. Ausgiebige Studien an technischen Kunststoffen mit unterschiedlichen Faserverstärkungen zeigten, dass diese neues Potential beim 3D-Druck bezüglich der resultierenden Bauteileigenschaften bringen können. Bemerkenswert sind hier ein geringer Bauteilverzug, gesteigerte Maßhaltigkeit durch geringeren Schrumpf und das Steigern der Festigkeiten von Bauteilen. Vorversuche mit verschiedenen Biofibre Compounds wiesen ebenfalls diese Verhaltensweisen auf.

Der Werkstoff Silva SI2900 aus Altdorf zeigte von allen getesteten Compounds gute Ergebnisse in der Verdruckbarkeit bei einem gleichzeitig großen Verarbeitungsfenster und einer geringen Verzugsneigung. Das Material ist nahezu vollständig biobasiert und die Inhaltsstoffe nach EN13432 zertifiziert biologisch abbaubar. Als Faserfüllung werden Holzfasern, aus PEFC zertifizierter Quelle, eingesetzt. Hierbei handelt es sich um sogenanntes Schwachholz aus Durchforstungsmaßnahmen, welches ungeeignet für die Produktion von hochwertigen Bau- oder Konstruktionshölzern ist. Alternativ werden diese Schwachhölzer einer thermischen Verwertung zugeführt.

Der Polymertyp wurde für Spritzgussanwendungen mit mittleren Fließwegen und für Anwendungen im Bereich steifer Verpackungen, so zum Beispiel im Agrarbereich zur Herstellung von Pflanz- oder Anzuchttöpfen, entwickelt. Sein Eigenschaftsprofil genügt erstaunlicherweise gut dem schneckenbasierten Plastifizieren, weshalb er für die vorliegende Produktentwicklung ausgewählt wurde.

Seitenwand, die aus dem verstärkten, bioabbauren Kunststoff gedruckt wurde.
Seitenwand, die aus dem verstärkten, bioabbauren Kunststoff gedruckt wurde. (Bild: Biofibre)

Verbissschutz für den Agrar- und Forstbereich

Im Agrar- und Forstbereich werden viele Kunststoffe eingesetzt. Sie sind einer der größten Emittenten von Kunststoffen in die Umwelt. Einige Kunststoffe werden nach Gebrauch eingesammelt, wiederverwendet oder recycelt. Es gibt jedoch immer noch eine große Anzahl an Kunststoffprodukten, die nach der Nutzungsphase nicht wieder entfernt und/oder recycelt werden. Eine dieser Anwendungen ist der Verbiss-, Fege- oder Nageschutz in der Forst- und Landwirtschaft. Üblicherweise werden dort gelöcherte Flachfolienhülsen aus traditionellen Kunststoffen eingesetzt. Diese werden in der Nutzungsphase häufig beschädigt oder zerfallen nach Bewitterung, wobei Fragmente meist ungeachtet auf oder im Boden landen. Eine Alternative stellt ein Bauteil aus einem biologisch abbaubaren Kunststoff dar. Dieser ist nicht ökotoxisch und wird entsprechend zusammengesetzt biologisch abgebaut und wird Teil des Waldbodens.

Viele biologisch abbaubare Kunststoffcompounds verfügen nur über mittlere Festigkeiten oder sind spröde. Weiterhin besitzen sie häufig eine mittlere bis schlechte Fließfähigkeit beim Spritzgießen, die für das Herstellen eines großformatigen Verbissschutzes nicht ausreicht. Das Fertigen einer Flachfolie ist hingegen durchaus möglich, jedoch ist das Ausstanzen der für diese Anwendung benötigten Löcher ein zusätzlicher Nachbearbeitungsschritt. Außerdem könnten hier nur schwer Naturfasern zum mechanischen Verstärken genutzt werden.

Mit der Analgentechnik Space A von Yizumi kann Biofibre Silva SI2900 mit 20 % Holzfaseranteil zu einem flachen Bauteil mit den Abmaßen 60 x 80 cm verdruckt werden. Durch die guten Plastifizier- und Fließeigenschaften des Biopolymers kann zudem ein robuster Prozess mit relativ hohen Produktionsgeschwindigkeiten realisiert werden. Im konkreten Fall wurde das Bauteil nach Herstellerangaben rund 24-mal schneller gefertigt als mit filamentbasiertem Fused-Layer-Modeling- Verfahren (FLM). Dennoch ist die erreichte Fertigungszeit von 3 min im Vergleich zu anderen Serienherstellverfahren noch relativ zu sehen, die eine hinreichende Projektbewertung erforderlich macht.

Final konnte für den vorliegenden Fall eine kosteneffektive, energiesparende und flächige Netzstruktur gefertigt werden. Durch die schnellere Verfahrgeschwindigkeit gelang es eine dem Spritzgießen ähnliche Orientierung von Fasern und Polymermolekülen zu erreichen. Dies ist bei dieser Anwendung der Reißfestigkeit sehr zuträglich.

Die verwendete Space A-Anlage verfügt dabei über ein Werkstückträgersystem. Dieses ermöglicht eine kontinuierliche und vollautomatisierte Produktion von Bauteilen hintereinander auf einem Förderband.

Feldversuch läuft

Erste Bauteile sind beim Aussetzen von neuen Weinreben angebracht worden. Die Versuche zeigten bisher, dass das manuelle Anbringen des Verbissschutzes problemlos funktionierte. Einfache mitgedruckte Widerhaken ließen ein schnelles Verschließen zu. Die Flexibilität sowie die Steifigkeit sind ausreichend. Nach ersten Wochen im Feld mit Regen, Hagel und Sonneneinstrahlung sind alle Bauteile noch voll intakt. Auch die erste Abwehr gegenüber Niederwild (Hasen) wurde erfolgreich überstanden. Der Feldversuch wird insgesamt zwölf Monate dauern und dann professionell ausgewertet.

Yizumi Deutschland Halle/Stand: FO/FO-38
Biofibre Halle/Stand: A4/4128

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