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Additive Fertigung


Mit Vollgas in die Additive Fertigung

Additive Fertigung wird 20x schneller

Neue Niveaus für Lifetime-Stückzahlen

Um die Vorteile von additiven und subtraktiven Fertigungsverfahren zu kombinieren, ist am Institut für Kunststoffverarbeitung in Aachen (IKV) eine hybride Fertigungszelle entwickelt und erfolgreich umgesetzt worden.

Die zentrale Komponente der hybriden Fertigungszelle ist das Positioniersystem in Form eines modernen 6-Achs-Roboters, das mit einem standardisierten Werkzeugwechselsystem ausgestattet ist und somit für höchste Automatisierung und Flexibilität sorgt. Bei dem vom IKV entwickelten Verfahren wird bei additiven Fertigungsschritten eine schneckenbasierte Plastifiziereinheit eingesetzt, die mit Kunststoffgranulat betrieben wird. Diese ermöglicht im Vergleich zu filamentbasierten Fertigungstechnologien die Verarbeitung von hochgefüllten Kunststoffcompounds bei gleichzeitig hohen Durchsätzen. Neben der Steigerung des Durchsatzes ergibt sich ein signifikanter Kostenvorteil aus der günstigeren Verwendung von Granulat.

Die aufwendige Fertigung von präzisen Filamenten wird typischerweise Faktor 10-30 teurer angeboten als das oben beschriebene Verfahren mit Kunststoffgranulat.

In der hybriden Fertigungszelle können nach Bedarf Greifersysteme oder Fräswerkzeuge mit dem Positioniersystem gekoppelt werden. Hiermit lassen sich dann weitere Prozesse wie die Bereitstellung von Einlegergeometrien für zusätzliche Funktionsintegration oder die subtraktive Nachbearbeitung zur Einhaltung der Maßhaltigkeit zu realisieren.

Definition

Als additive oder generative Fertigungsverfahren werden Prozesse definiert, bei denen ausgehend von 3D-Volumenmodellen, Bauteile schichtweise aufgebaut werden. Diese Verfahren werden häufig auch als 3D-Druck bezeichnet. 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.

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.

Granualt ICF Compound.

 

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.“

Kontakt

Herr Nicolai Lammert
M.Sc.RWTH - Wissenschaftlicher Mitarbeiter Spritzgießwerkzeugtechnik / Additive Fertigung  
lammert@ikv.rwth-aachen.de 

Herr Jakob Onken
M.Sc.RWTH -  Wissenschaftlicher Mitarbeiter Formteilauslegung und Werkstofftechnik
jakob.onken@ikv.rwth-aachen.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: