Die Additive Fertigung (AF) verzeichnet bereits seit vielen Jahren ein ununterbrochenes Branchenwachstum [Woh22]. Dies ist durch die vielen Vorteile der Technologie begründet, wie beispielsweise eine werkzeuglose, schichtbasierte Bauteilfertigung. Somit können nahezu beliebige Geometrien mit hoher Komplexität und internen Strukturen und Funktionen ohne Rüstvorgänge gefertigt werden [GRS10]. Ursprünglich als Rapid Prototyping bekannt, war der größte Anwendungsfall der Technologie lange Zeit das Herstellen von Prototypen. Einem Ausbruch aus diesem Feld standen lange Zeit die Einschränkungen der AF wie hohe Fertigungszeiten und beschränkte Bauräume entgegen. Um die Vorteile des Verfahrens auch für die Fertigung von Endbauteilen zu nutzen, forscht das Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk (IKV) seit 2015 an der Skalierung der AF und konzentriert sich hierbei auf die materialextrudierenden Verfahren (MEX). Die Ziele umfassen hierbei das Fertigen großvolumiger Bauteile bei gleichzeitiger Reduktion der Fertigungszeit. Weiterhin soll durch das Verarbeiten von Standard-Granulat die Werkstoffvielfalt in der AF erhöht werden. Gemeinsam ermöglichen diese Aspekte eine deutliche Reduzierung der Fertigungskosten [HL16].
So konnte der Fertigungsprozess beschleunigt werden
Um diese Ziele zu erreichen, wurde im Jahr 2015 ein Schneckenextruder entwickelt und erstmalig mit einem Gelenkarmroboter kombiniert. Mit dieser Anlage konnte die Fertigungsgeschwindigkeit im Vergleich zu konventionellen Fused-Layer-Modeling-Anlagen (FLM) um den Faktor 20 gesteigert werden [HP19]. Gleichzeitig wurde das Materialspektrum der AF deutlich erweitert. Neben üblichen Werkstoffen wie Polylactid (PLA) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) können mit dieser Anlage auch Polyamid (PA), Polypropylen (PP) oder Thermoplastische Elastomere (TPE) mit geringer Shore-Härte verarbeitet werden. Auch hochgefüllte Polymere mit beispielsweise 30 Gew.-% Kohlenstofffaseranteil oder 50 Gew.-% Langglasfasern können verarbeitet werden. Die Technologie ermöglichte erstmals das Umsetzen von Projekten, die mit konventioneller AF nicht möglich sind. So wurde die Karosserie eines innovativen Human-Hybrid-Fahrzeugs in wenigen Fertigungstagen aus recyceltem Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA) hergestellt. In einem weiteren Projekt wurde die Anlage in eine Fertigungsstraße für das Herstellen von Einplatinencomputergehäusen integriert. Hier wurde das Gehäuse im Spritzgießverfahren vorgefertigt und anschließend mittels AF mit einer Antirutschlippe aus TPE versehen. Die AF gliederte sich hierbei in den Takt der Spritzgießmaschine ein [WHR+19].
Bisherige Nachteile des 3D-Drucks adressieren
Während die eingangs erwähnte Schichtbauweise in der AF zwar viele Vorteile bietet, ist sie gleichzeitig für die verbleibenden Nachteile der Technologie verantwortlich. Zwar wird der Begriff „3D-Druck“ häufig synonym für AF-Verfahren verwendet, tatsächlich handelt es sich jedoch immer um 2,5-D-Verfahren, da wiederholt ebene Schichten gefertigt werden. Der hierdurch entstehende Treppenstufeneffekt reduziert die Oberflächenqualität der Bauteile deutlich. Weiterhin weisen die Bauteile stark anisotrope mechanische Eigenschaften auf, bedingt durch die Haftung der Schichten untereinander. Um diese Nachteile zu adressieren und tatsächlich dreidimensional zu drucken, wurde am IKV das Advanced Dimension Additive Manufacturing (Adam) entwickelt. Hierbei handelt es sich um eine Softwarelösung zur optimalen Berechnung der Bahnen für die materialextrudierende AF. Die zu fertigenden Schichten werden nicht, wie bisher üblich, in parallelen Ebenen geplant. Stattdessen können Stränge dreidimensional frei im Raum verlaufen. Die Software stellt hierbei die kollisionsfreie Fertigbarkeit sicher. Da die Bahnen den Freiformflächen des Bauteils somit exakt folgen können, wird erstmals die Fertigung hochwertiger Oberflächen ohne Treppenstufen mittels Mex-Verfahren ermöglicht. Weiterhin können die positiven mechanischen Eigenschaften in Strangrichtung optimal genutzt werden, indem die Stränge gezielt entlang der Lastpfade ausgerichtet werden. Letzterer Effekt ist besonders bei der Verarbeitung fasergefüllter Kunststoffe relevant. Da sich die Fasern vorzugsweise in Ablagerichtung orientieren, können die lokalen Bauteileigenschaften durch das Bahnen und Adam-Verfahren gezielt beeinflusst und optimiert werden. Die Software ermöglicht die Bahnplanung für alle gängigen Mex-Systeme. So bietet sie bereits für kosteneffiziente FLM-Anlagen die Möglichkeit, die Qualität der Bauteile deutlich zu steigern. Darüber hinaus lässt sich die Bauteilqualität durch das Nutzen von Fünf- oder Sechs-Achs-Systemen, etwa Industrierobotern, weiter steigern. Bei diesen Anlagen können die zusätzlichen Kippachsen genutzt werden, um den Extruder jederzeit senkrecht zur abgelegten Bahn anzustellen. Dies erhöht die Freiheitsgrade bei der Bauteilgestaltung sowie bei der Ausnutzung der Vorteile des Adam-Verfahrens.
Vorstellung auf der K-Messe 2022
Auf der K-Messe 2022 präsentierte das IKV die jüngste Entwicklungsstufe der Technologie, bestehend aus Anlage und Software. Um alle Vorteile der Adam-Technologie auszunutzen, wurde eine vollintegrierte Fertigungszelle entwickelt. Das Herzstück der Anlage stellt die dritte Version des Schneckenextruders dar. Hier wurde besonderer Wert auf einen hohen Materialaustrag sowie hohe Dynamik im Austragsverhalten bei geringem Ex-trudergewicht gelegt. Da Schneckenextruder üblicherweise für den stationären Betrieb ausgelegt sind, weisen sie häufig eine hohe Trägheit in Bezug auf das Austragsverhalten auf. In der Additiven Fertigung muss der Schmelzefluss jedoch regelmäßig variiert oder gar komplett gestoppt werden. Bei hoher Trägheit des Austragsverhaltens kann so nicht die richtige Menge Material an der richtigen Stelle abgelegt werden und die Bauteilqualität leidet. Die Trägheit stellte also bisher ein großes Hindernis bei der Verwendung von Schneckenextrudern für die AF dar. Durch das spezielle Abstimmen von Schnecke, Einzugszone, Zylinder und Schneckenantrieb erreicht die neuste Version des AF-Schneckenextruders eine hohe Dynamik bezüglich des Schmelzeflusses und ermöglicht den sofortigen Stopp des Materialaustrags, wenn dieser durch den Maschinencode vorgegeben wird. Mit einem Masseaustrag von 4 kg pro Stunde können große Bauteile in noch kürzerer Zeit gefertigt werden. Als Kinematik kommt ein Gelenkarmroboter von Stäubli International, Pfäffikon, Schweiz, zum Einsatz. Der Roboter ermöglicht den großen Bauraum der Anlage und weist eine hohe Bewegungsdynamik auf. Somit ist er ideal auf den verwendeten Schneckenextruder abgestimmt. Weiterhin lässt sich dieser durch die vielen verfügbaren Protokolle zur Übergabe von Bewegungsbefehlen einfach in die Gesamtanlage einbinden. Zur Komplettierung der Anlage gehört eine bis 120 °C beheizbare Bauplattform mit einer Größe von 2 m x 1 m sowie eine geschlossene Einhausung zur Steigerung der Prozessstabilität. Letztere wurde unter anderem durch Aluminiumprofile und Polyethylenterephthalat-Glykol-Platten (PETG) von RK Rose+Krieger, Minden und Simona, Kirn, umgesetzt. Das Material wird über zwei Trockner von Motan-Colortronic, Kirchlengern, aufbereitet und bereitgestellt. Zwei Materialzuführungen zum Extruder mischen die Kunststoffe direkt im Extruder. Durch das gezielte Ansteuern können so gradierte Bauteile mit lokal variierenden Eigenschaften hergestellt werden. Beispielhaft kann der Fasergehalt an kritischen Stellen des Bauteils gezielt erhöht werden. Eine am IKV entwickelte Anlagensteuerung bringt alle Teilsysteme in Einklang und ermöglicht die automatisierbare Herstellung von hochwertigen Endbauteilen in der AF.
In Düsseldorf konnten Messebesucher die Vorteile und Fähigkeiten des Systems begutachten. Vor Ort wurde ein Hocker aus biobasiertem, holzfasergefülltem Polymer gefertigt. Hierzu wurden zwei Werkstoffe von Tecnaro, Ilsfeld, eingesetzt. Aus dem unverstärkten, Lignin-basierten Arboblend 3048 V entstand die Sitzfläche des Hockers. Zur Fertigung des Grundkörpers wurde anteilig Arboform LV4 hinzugegeben. Aufgrund des hohen Anteils an Fichtenfasern weist dieses Material eine hohe Steifigkeit von 6.200 MPa, vergleichbar mit einer Glasfaserfüllung, auf. Im Gegensatz zu glasfasergefüllten Werkstoffen, basieren beide verwendeten Materialien jedoch auf nachwachsenden Rohstoffen und sind biologisch abbaubar. Durch die beiden Materialzuführungen der Fertigungsanlage können die verwendeten Werkstoffe im Prozess nach nutzerdefinierten Anteilen und lokal variabel gemischt werden. Neben der lokalen Steigerung der Steifigkeit sorgt dies auch für eine holzähnliche Maserung des Bauteils. Mithilfe der Adam-Technologie wird dem Grundkörper eine Wellenstruktur überlagert, wodurch das gezielte Ausrichten der Stränge im dreidimensionalen Raum und somit das optimale Nutzen der hohen Steifigkeit des fasergefüllten Werkstoffs ermöglicht wird. Die Gesamtfertigungszeit des Hockers beträgt zwei Stunden. Durch eine verbesserte Bauteilkühlung lässt sich diese aber zukünftig weiter reduzieren.
Dank
Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – EXC 2023 Internet of Production – 390621612.
Literatur
[GRS10] GIBSON, I.; ROSEN, D. W.; STUCKER, B.: Additive Manufacturing Technologies. Boston, MA : Springer US, 2010 — ISBN 978-1-4419-1119-3
[HL16] HOPMANN, CH.; LAMMERT, N.: Integrated additive and subtractive manufacturing for thermoplastic products. In: 6th International Conference on Additive Technologies - iCAT 2016 proceedings, Nürnberg (2016)
[HP19] HOPMANN, CH.; PELZER, L.: Additive Manufacturing of Large Functional Assemblies through a Hybrid Approach. In: 35th International Conference of the Polymer Processing Society (2019), Cesme-Izmir, Türkei
[WHR+19] WURZBACHER, S.; HOPMANN, CH.; RÖBIG, M.; PELZER, L.; TOPMÖLLER, B.; SCHMITZ, M.: Jenseits menschlicher Fähigkeiten - Modellgestützte Prozesseinrichtung durch vollvernetzte Produktion im Spritzgießen. In: Kunststoffe (2019)
[Woh22] WOHLERS ASSOCIATES (Hrsg.): Wohlers report 2022: 3D printing and additive manufacturing global state of the industry. Fort Collins (Colo.) : Wohlers Associates, 2022 — ISBN 978-0-9913332-9-5
Quelle: IKV
INTERVIEW – Nachgefragt bei Lukas Pelzer, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Additive Fertigung am IKV
Wie wurde die Trägheit des Schneckenex-truders am Beispiel des Demonstrators angepasst, um den Materialaustrag präziser handhaben zu können?
Lukas Pelzer: Die Trägheit des Masseaustrags wird durch mehrere Faktoren beeinflusst. Zunächst spielt die werkstoffgerechte Auslegung der Extruderkomponenten, speziell der Schnecke, des Zylinders und des Düsenvorraums, eine wichtige Rolle. Weiterhin weisen unsere Extruder eine hohe Ansprechdynamik durch die Kombination aus hochdynamischen Servomotoren und Getrieben mit geringem Übersetzungsverhältnis auf. Abschließend berücksichtigt unsere Bahnplanungssoftware eine etwaige Restträgheit und ist in der Lage, diese durch gezielte Ansteuerung des Extrudermotors zu kompensieren.
Der Schneckenextruder wird von einem Gelenkarmroboter geführt. Konnten Sie hierfür auf einen Standardroboter zurückgreifen oder musste dieser entsprechend ausgelegt werden?
Pelzer: Für die auf der K-Messe 2022 gezeigte Anlage haben wir uns für einen Gelenkarmroboter der TX2-Serie von Stäubli International entschieden. Dieser Roboter kombiniert eine hohe Reichweite mit hoher Bewegungsdynamik und präziser Positionierung. Die Traglast von 25 kg ermöglicht neben der Montage unseres mit circa 10 kg sehr leichten Schneckenextruders auch das Anbringen weiterer Peripherie, wie beispielsweise Vorrichtungen zur Fügezonentemperierung, welche die Schichthaftung deutlich verbessern.
Die ausgezeichnete Kooperation mit Stäubli ermöglichte uns tiefe Eingriffe in die Anlagensteuerung. So war es möglich, den Roboter nahtlos in die Gesamtanlage einzubinden, welche somit wiederum über konventionellen G-Code angesprochen werden kann.
Welchen Durchmesser besitzt die Lochblende am Austritt des Extruders und ist es notwendig, diese bauteil- oder materialabhängig anzupassen?
Pelzer: Die zur Fertigung des Hockers verwendete Düse besitzt einen Durchmesser von 3 mm. Mit dieser Düse lassen sich Strangbreiten von 3 mm bis circa 6 mm realisieren. Die Düse lässt sich innerhalb weniger Minuten wechseln, beispielsweise gegen eine Düse mit kleinerem Durchmesser für die Fertigung detaillierter Bauteile, oder gegen eine Düse mit größerem Durchmesser zur Maximierung des Materialaustrags. Die Bandbreite reicht von 0,25 mm bis 6 mm. Abhängig vom Anteil und der Größe der verarbeiteten Fasern sollten größere Düsendurchmesser gewählt werden, um ein Verstopfen der Düse zu vermeiden.
Auf welche Temperatur wird die Bauplattform für das Verarbeiten der Biokunststoffe aufgeheizt?
Pelzer: Für die Verarbeitung der verwendeten Biokunststoffe hat sich eine Temperatur der Bauplattform von 65 °C als ausreichend herausgestellt. In Kombination mit der strukturierten Oberfläche der Bauplattform konnte so eine gute Haftung des Bauteils während des Fertigungsprozesses sichergestellt werden.
Da das Bauteil nur einen Bruchteil der Fläche belegt, wird die Wärme in den Bauraum abgestrahlt. Wie stark erwärmt sich dieser und trägt diese Temperaturerhöhung zur Steigerung der Bauteilqualität bei?
Pelzer: Neben der Nachhaltigkeit der verarbeiteten Werkstoffe war uns während der Entwicklung der Anlage auch der verantwortungsbewusste Umgang mit weiteren Ressourcen, wie beispielsweise der Leistungsaufnahme im Betrieb wichtig. Aus diesem Grund besteht die Bauplattform aus acht individuell ansteuerbaren Zonen. Bei der Fertigung kleinerer Bauteile können also gezielt nur die benötigten Bereiche der Bauplattform aufgeheizt werden. Für die Verarbeitung technischer Kunststoffe kann eine erhöhte Bauraumtemperatur von Vorteil sein. So stellt sich bei Beheizung der gesamten Bauplattform auf 65 °C nach einigen Minuten eine Bauraumtemperatur von circa 31 °C ein. Aktuell ist die Bauraumtemperatur aufgrund der vom Hersteller vorgegebenen Einsatzbedingungen des Roboters auf 40 °C begrenzt.
Beispiel Hocker: Der Grundkörper besteht aus zwei bioabbaubaren Lignin-basierten Kunststoffen. Einer davon ist mit Fichtenfasern hochgefüllt. Wie hoch ist der Faseranteil im Werkstoff und welcher Anteil im Grundkörper resultiert daraus?
Pelzer: Der verwendete Werkstoff Arboform LV4 besitzt einen Füllgrad von bis zu 50 Gew.-%. Das Mischverhältnis zwischen gefülltem und ungefülltem Material betrug während der Fertigung des Grundkörpers üblicherweise 1:1, wodurch der Grundkörper einen Füllgrad von bis zu 25 Gew.-% Fichtenfasern enthält. Es wurden jedoch auch Hocker ohne Zugabe von ungefülltem Material gefertigt. Diese enthalten den vollständigen Faseranteil des Arboform LV4.
Sie erwähnen, dass die Steifigkeit von Arboform LV4 mit einer Glasfaserfüllung gleichzusetzen ist. Wie hoch müsste der Biokunststoff mit Glasfasern gefüllt sein, um die gleiche Steifigkeit zu erzielen?
Pelzer: Die Steifigkeit des Arboform LV4 liegt bei 6200 MPa. Dies entspricht zum Beispiel der Steifigkeit eines Polyamids 6 mit einer Glasfaserfüllung zwischen 15 % und 20 %.
Zu guter Letzt: Welches Gewicht und welche Abmessungen besitzt der Hocker und wie lange beträgt die Druckzeit?
Pelzer: Die Sitzfläche des Hockers beträgt 360 mm x 360 mm bei einer Gesamthöhe des Möbelstücks von 460 mm. Der fertige Hocker wiegt 3,07 kg und kann aktuell in 120 Minuten gefertigt werden. Durch Optimierung der Bauteilkühlung kann die Fertigungszeit zukünftig weiter reduziert werden.
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Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen (Hauptsitz)
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