Wo der 3D-Druck seine Vorteile in der industriellen Produktion ausspielt

Mit der zunehmenden Integration von 3D-Druckern in die industrielle Produktion steigen auch die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Geräte. Der Filament-3D-Druck, eine weitverbreitete Form der additiven Fertigung, bedient sich erhitzter Kunststoffmaterialien, die durch eine feine Düse gepresst und schichtweise aufgetragen werden. Die Präzision des Druckvorgangs sowie die Qualität des verwendeten Materials spielen eine entscheidende Rolle für das Ergebnis. Die Anfangsjahre des 3D-Drucks mit einfachen Prototypen und geringen Qualitätsanforderungen haben wir schon lange hinter uns gelassen. Heute dient der 3D-Druck der Herstellung komplexer Bauteile wie Saugnäpfe oder mechanische Greifer für Robotik-Anwendungen. Solche Werkzeuge lassen sich im 3D-Druck deutlich kosteneffizienter, schneller und flexibler produzieren als mit herkömmlichen Methoden. Der 3D-Druck findet Anwendung in der Prototypenherstellung, Kleinserienfertigung, im Formenbau und in der Ersatzteillogistik. In digitalen Ersatzteillagern lassen sich die benötigten Teile on-demand produzieren – schnell, dezentral, ressourcenschonend und damit sehr effizient. Moderne 3D-Drucker mit beheizbaren Druckkammern minimieren zudem den Bedarf an Nachbearbeitung, sodass produzierte Teile sofort eingesetzt werden können.

Für hochfunktionale Bauteile werden oftmals faserverstärkte Hochleistungspolymere verwendet. Moderne Polymere ermöglichen bionische Formen, die bei geringerem Gewicht die technischen Eigenschaften verbessern. Der 3D-Druck bietet hier eine große Formfreiheit hinsichtlich der Geometrie. Diese Materialien erfordern einen Druckkopf, der extremen Temperaturen und abrasiven Filamenten standhalten kann. Ungeeignete Düsen können zu häufigen Wartungen und einer reduzierten Druckqualität führen. Die 3D-Drucker TIQ von Innovatiq verfügen deshalb über einen speziell entwickelten Coreline-Dual-Druckkopf. Aus einer hochwertigen Legierung bestehend, kann dieser selbst unter Dauerbelastung eine hohe Bauteilqualität gewährleisten. Er hält Temperaturen von bis zu 400 °C aus. Abrasive Materialien können ihm auch im Dauereinsatz nichts anhaben. Die Kühlung des Druckkopfes sorgt dafür, dass alle Bauteile und auch die Filamente auf optimaler Temperatur gehalten werden. Bei komplexen Geometrien wird in der Regel mit löslichem Stützmaterial gedruckt. Dual-Extruder sind daher heute Standard bei industriellen 3D-Druckern. Die Druckqualität ist stark von der präzisen Temperaturkontrolle abhängig. Ein geschlossener Bauraum schützt das Druckobjekt vor äußeren Einflüssen und ist entscheidend für das Gelingen des Druckprozesses. Äußere Einflüsse wie Verzug oder Ablösung vom Druckbett werden damit ausgeschlossen. Vor allem Hochleistungsthermoplaste benötigen zusätzlich eine Bauraumheizung, damit sie nicht zu schnell abkühlen. Dazu gehören Filamente mit technischen Eigenschaften wie Verbundwerkstoffe, Hochtemperatur- oder UV-Beständigkeit oder besondere Härte durch Faserzusätze. Bei Materialien wie PLA kann dagegen auf eine Bauraumheizung verzichtet werden. Hier ist eher eine Bauraumbelüftung erforderlich.

Die Stabilität der Druckkonstruktion, hochwertige Antriebssysteme und die automatische Bettnivellierung sind weitere Funktionen, welche die Druckgenauigkeit beeinflussen und damit essenziell für die Prozesssicherheit sind. Vibrationen werden hardwareseitig beispielsweise dadurch vermieden, dass der 3D-Drucker aus einer stabilen, schwingungsfreien Konstruktion besteht. Hochwertige Antriebe mit Closed-Loop-Schrittmotoren sorgen für eine ruckfreie Bewegung des Druckkopfes. Auch die automatische Nivellierung des Druckbetts, etwa durch ein lasergesteuertes Messsystem, erhöht die Genauigkeit und verkürzt die Rüstzeiten. Eine manuelle Druckbettnivellierung mit Schrauben hat sich in der industriellen Anwendung als nicht optimal erwiesen. Ein schlecht kalibriertes Druckbett kann zu einer schlechten Haftung der ersten Schicht führen. Wichtig für ein gleichmäßiges Druckbild ist eine gleichmäßige, dem Filament angepasste Druckgeschwindigkeit. Diese wird erreicht, indem der Einzug in den Extruder sensorgesteuert überwacht und korrigiert wird. Diese sogenannte SmartSpeed-Funktion passt die Druckgeschwindigkeit über einen Algorithmus an, der die zuvor erfassten Messdaten der Filament-Zuführung im Druckkopf verarbeitet. Das bedeutet optimale Druckqualität bei maximaler Druckgeschwindigkeit. Der Materialbedarf wird kontinuierlich überwacht und meldet die Vorschubgeschwindigkeit an die Steuerung. So erreicht ein 3D-Drucker nicht nur Prozesssicherheit, sondern auch die im industriellen Umfeld geforderte kürzestmögliche Druckzeit. Dazu müssen alle notwendigen Prozessparameter zwischen Druckkopf, Filamenttransport und CNC-Steuerung permanent abgeglichen und Abweichungen sofort korrigiert werden. Ein Pausenmodus muss zum Beispiel für den Filamentwechsel oder für die Zuführung von Verbindungselementen wie Gewindeeinsätzen zur Verfügung stehen.

Um optimale Druckergebnisse zu erzielen, ist es wichtig, das Filament trocken zu halten. Materialtrockner entfeuchten die Druckmaterialien vor dem Druckvorgang. Die Trockner erwärmen das Filament kontinuierlich auf bis zu 55 °C. Das verbessert die Qualität der gedruckten Teile maßgeblich. Die erwärmte Luft sorgt dafür, dass sich alle einzelnen Polymerketten und eingelagerten Wasserzellen öffnen und frei entweichen können. Die erhitzte Luft wird aktiv entfeuchtet. Dazu wird die Luft in der Kammer in eine permanente Rotation versetzt und an zwei Peltier-Elementen vorbeigeführt. Im geschlossenen Zustand wird die Feuchtigkeit über einen Absaugmechanismus kontrolliert nach außen abgeführt und verdunstet. Dies ist besonders für hochwertige Polymere wie PA, PEKK, PA-CF, PC, TPU oder auch ABS von großer Bedeutung. Prozesssicherheit und Materialfreiheit sind heute die wichtigsten Kriterien für industrielle 3D-Drucker. Ständig kommen neue Filamente auf den Markt, die die Anwendungsmöglichkeiten erweitern. Einige Unternehmen entwickeln eigene Kunststoffe, die ebenfalls gedruckt werden müssen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Geräte, die im industriellen Umfeld eingesetzt werden. Der 3D-Druck ermöglicht es heute, die gesamte Wertschöpfungskette in Produktion und Instandhaltung zu optimieren und die Wirtschaftlichkeit produzierender Unternehmen nachhaltig zu steigern. Der 3D-Drucker als Multitool in der Produktion muss daher ein Gerät sein, das eine hohe Druckqualität liefert und ohne großen Schulungsaufwand zuverlässig funktioniert.

Quelle: Innovatiq