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3D-Druck


Mit Vollgas in den 3D-Druck

Additive Fertigung wird 30x schneller

Performance und Produktivität im 3D-Druck

Große Formate, hohe Stückzahlen, höchste Produktivität – Der 3D-Druck mit Granulat erschließt neue Anwendungsgebiete für die additive Fertigung. Die additive Fertigungstechnologie schreitet rasant voran. Der 3D-Druck wird zu einem etablierten Fertigungsverfahren in immer mehr Industriezweigen. Die direkte Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffgranulaten mittels Schneckenextrusion für eine schichtweise Ablagerung in der additiven Fertigung ermöglicht hohe Produktionsgeschwindigkeiten sowie große Teile.

Die als SEAM (Screw extrusion additive manufacturing) und FGF (Fused Granulate Fabrication) bekannten Direkt-Extrusionsverfahren begünstigen verstärkte und optimierte Materialien. Drucken mit hochverstärkten Materialien Compounds mit 40 % Kohlefaserverstärkung oder 60 % Glasfaserverstärkung können in der additiven Fertigung mittels eines Extruders verarbeitet werden. Auf diese Weise können auch teilkristalline Materialien wie Polyamide oder Polyester mit hoher Dimensionsstabilität verarbeitet werden. Die Filamente sind in der Regel auf einen Füllstoffgehalt von weniger als 20 % beschränkt.

Das Drucken mit Standardgranulaten ist kostengünstig. Die aufwändige Herstellung von präzisen Filamenten ist typischerweise 10-30 mal teurer als das oben beschriebene Verfahren mit Kunststoffgranulat, im Vergleich zu Pulvern, die im SLS-Verfahren verwendet werden, ist der Faktor noch höher.

Die ICF-Compounds von AKRO-PLASTIC kombinieren hohe Festigkeit und geringe Dichte mit hohen Produktionsgeschwindigkeiten für die additive Fertigung. So wird beispielsweise AKROMID® B3 ICF 30 AM (7451) in der Serienproduktion eines 3D-gedruckten Trägers eines Hygieneschildes von Faurecia und Yizumi Deutschland eingesetzt, der in der Flotte des Fahrdienstleisters MOIA den Fahrerbereich von den Fahrgästen trennt. Große Produktionshilfsmittel wie Vorrichtungen oder ganze Handlingsysteme mit Gewichten von leicht über 100 kg können mit AKROMID® B3 ICF 40 AM schwarz (8236) hergestellt werden, da es von einer hohen Dimensionsstabilität und mechanischen Eigenschaften profitiert.

Definition

Als additive oder generative Fertigungsverfahren werden Prozesse definiert, bei denen ausgehend von 3D-Volumenmodellen, Bauteile schichtweise aufgebaut werden. Anders als im Spritzgießen wird kein Werkzeug benötigt. Diese Verfahren werden häufig auch als 3D-Druck bezeichnet und umfassen mehrere Technologien, die sich in den verwendeten Materialien und dem Prozess des generativen Aufbaus unterscheiden. Für die Verarbeitung von Kunststoffen werden beispielsweise Sinterverfahren mit Pulvern (Powder Bed Fusion), Photopolymerisation flüssiger Polymere und die Material Extrusion eingesetzt. In Extrusionsverfahren werden Materialstränge abgelegt (FDM – Fused Depostion Modeling). Die Kunststoffe werden in Extrusionsverfahren als Filament (FFF – Fused Filament Fabrication) oder in Form von Granulat (FGF – Fused granulate fabrication) zugeführt.

Bei der subtraktiven Fertigung hingegen wird ein Bauteil durch das Abtragen von Material hergestellt. So wird beispielsweise aus einem Materialrohling durch Schleifen, Bohren oder Fräsen ein kleineres Bauteil erstellt. Teile, die im 3D-Druck hergestellt werden, werden oftmals nachbearbeitet, um verbesserte Maß- und Oberflächentoleranzen zu erreichen. Besonders im FGF-Verfahren auch SEAM genannt (Screw Extrusion Additive Manufacturing) ist die Kombination von additiver und substraktiver Fertigung sinnvoll, um mit hoher Austragsleistung Komponenten zu additiv drucken und lokal funktionelle Bereiche durch substraktive Verfahren nachzubearbeiten. 

Hybride Fertigungszelle am IKV bei der 73-minütigen Fertigung eines 90 cm hohen Rotorflügels (links) und resultierende Bauteileigenschaften am Beispiel von Mikroskopie-Aufnahmen der Bauteiloberfläche (rechts).

 

Die Verarbeitung von hochverstärkten Kunststoffcompounds eröffnet neue Möglichkeiten in der additiven Fertigung und ist eine Kernkompetenz der AKRO-PLASTIC GmbH in Niederzissen. Das kohlenstofffaserverstärkte AKROMID® B3 ICF 30 9 AM (7451) wird erfolgreich am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen in diesem neu entwickelten Melt Deposition Modeling (MDM) Prozess eingesetzt.

Aufgrund der verbesserten Wärmeleitfähigkeit des kohlenstofffaserverstärkten Compounds, den damit verbundenen höheren Abkühlgeschwindigkeiten sowie der engen Chargentoleranz bei hochgefüllten Kunststoffen, ist ein stabiler Fertigungsprozess mit hohen Produktionsgeschwindigkeiten umgesetzt worden, der in herausragenden mechanischen Eigenschaften resultiert. Zur Verbesserung der Dosierbarkeit und des Einzugsverhaltens wird AKROMID® auch in Granulatgrößen unter 1 mm Durchmesser angeboten und ermöglicht den Einsatz feinerer Dosiersysteme mit noch kürzeren Verweilzeiten.

Granulat ICF Compound.

 

Sehen Sie sich das Video an!

In diesem Video sehen Sie, dass Yizumi Germany die Technology 3D-Druck verbessert hat. 

Auf der Fakuma Messe 2021 (Halle B2 Stand 2108) wird von Yizumi im 3D-Druck-Verfahren ein Stiftehalter präsentiert. Der 3D-Druck erfolgt auf einer vorgeheizten, mit dem von Plasmatreat entwickelten Plasmaplus Coating beschichteten Haftschicht. Der Stiftehalter wird mit unserem AKROMID® NEXT U3 40 1 black (8238) gedruckt. Es ist ein Polymer auf Basis von Rizinusöl. Der Biomasseanteil im Polymer ist 97 %, das Compound ist zudem mit 40 % wiederverwerteten Kohlefasern (PIR) verstärkt. 

Sehen Sie sich das Video an!

In diesem Video wird der Prozess der Additiven Fertigung angewendet. Das Video wurde auf der Hannover Messe 2018 aufgenommen.

Nicolai Lammert - Institut für Kunststoffverarbeitung in Aachen

Ultimative Bruchspannung

Nicolai Lammert, der die Arbeitsgruppe additive Fertigung am Institut für Kunststoffverarbeitung in Aachen leitet und für die Entwicklung und Implementierung der hybriden Fertigungszelle verantwortlich ist, äußert sich sehr positiv über das neue Verfahren: „Mit Hilfe unserer Fertigungstechnologie und dem 30 % kohlenstofffaserverstärkten Polyamid 6 sind wir in der Lage Bruchspannungen von 148 MPa in Fertigungsebene (XY-Richtung) und 40 MPa in Fertigungsrichtung (Z-Richtung) am Bauteil zu realisieren.

 

Die Eigenschaften in Z-Richtung entsprechen dabei 85 % der mechanischen Eigenschaften des reinen PA 6 Basisthermoplasten. Die anisotropen Materialeigenschaften, wie die hohen mechanischen Eigenschaften in Fertigungsrichtung, können nun aufgrund der hohen Bewegungsfreiheit des Industrieroboters gezielt zur lastpfadgerechten Einstellung von mechanischen Eigenschaften im späteren Bauteil genutzt werden. Bei einer Austragsleistung von aktuell 6 g/min ist es möglich, die Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu FLM-basierenden Fertigungsverfahren um den Faktor 20 zu steigern. Und auch dort sehen wir noch deutliches Potenzial nach oben.“

 

Contact

Yizumi Germany GmbH
Herr Nicolai Lammert
Dr.-Ing. - Head of Business Unit
n.lammert@yizumi-germany.de

Dr. Jan Dormanns - SMP Deutschland GmbH

Bauteile im Großformat

Durch die signifikant erhöhte Produktionsgeschwindigkeit unter Einsatz eines serienerprobten technischen Thermoplasten ist die hybride Fertigungszelle nicht nur auf die Herstellung von Prototypen begrenzt, sondern eröffnet neue Möglichkeiten im Hinblick auf das Rapid Manufacturing.

Ein Anwendungsbeispiel für solche großformatigen Bauteile ist die Konzeptstudie einer hochintegrativen bionischen Tragstruktur für Instrumententafeln des Automobilzulieferers SMP Deutschland GmbH mit Sitz in Bötzingen. Dr. Jan Dormanns, Projektleiter in der Vorentwicklung, erläutert: „In dieser bionischen Struktur werden sowohl Querträger und Luftführungen als auch Anbindungen für Airbags, Lenksäule, Displays und Verkleidungsteile zu einer tragenden Einheit verbunden.

In einem werkzeugarmen Gesamtkonzept mit Investitionseinsparungen von > 1,5 Mio € kann das Rapid Manufacturing die wirtschaftliche Fertigung solcher Strukturen für Kleinserien ermöglichen. Das MDM Verfahren des IKV und die Compounds der AKRO-PLASTIC GmbH liefern einen großen Beitrag zur zukünftigen industriellen Umsetzbarkeit solcher Konzepte.“

 

Anwendungsbeispiel für zukünftiges Rapid Manufacturing: Konzeptstudie einer bionischen Tragstruktur für Instrumententafeln der SMP Deutschland GmbH.

Kontakt

Dr. Jan Dormanns (PhD)
Advanced Development Interior
jan.dormanns@smp-automotive.com

Kontakt

AKRO-PLASTIC Experten

Wenn Sie weitere Informationen benötigen oder Fragen bezüglich der Additiven Fertigung haben, kontaktieren Sie bitte einen unserer Experten: