Wie der 3D-Druck mit Granulat den automobilen Vorrichtungsbau schneller, billiger und nachhaltiger macht!
Die Hauptanwendung der additiven Fertigung mit Kunststoffen und Metallen sind individualisierte Bauteile in geringen Stückzahlen. Dabei ist die Größe der einzelnen Bauteile oftmals technologisch durch die Maschinengröße und wirtschaftlich durch die Fertigungszeiten limitiert. Der 3D-Druck mit Granulat mittels Schneckenextrudern, bekannt als SEAM (Screw Extrusion Additive Manufacturing) oder FGF (Fused Granulate Fabrication) ermöglicht um Größenordnungen höhere Materialdurchsätze im Vergleich zu anderen Verfahren wie beispielsweise der Fused Filament Fabrication (FFF). Zusätzlich ist der Austrag durch die Extrudergröße in weiten Bereichen skalierbar. Mit gewichtsoptimierten Extrudern, die mit Hilfe von Industrierobotern flexibel einsetzbar sind, können Materialdurchsätze bis zu 5 kg/h erzielt werden. Mit größeren Extrudern, die beispielsweise in Portalsystemen eingesetzt werden, können die Durchsätze leicht verzehnfacht werden. Hohe Austragsraten und große Bauräume durch den Einsatz von Robotik und von Linearsystemen machen so die Herstellung großformatiger Bauteile möglich.
Die BMW Group setzt die Möglichkeiten der direkten Extrusion von Granulaten in der additiven Fertigung eindrucksvoll zur Herstellung von Produktionshilfsmitteln ein. Ein Anwendungsfeld mit besonderem Potenzial sind Handlingsysteme. Ein additiv gefertigtes Greifersystem kommt beispielsweise in der Serienproduktion von CFK-Dächern zum Einsatz. Der bifunktionale Greifer übernimmt sowohl die Ablage und Positionierung des trockenen Preforms als auch die Entnahme des Bauteils aus dem RTM-Prozess (Resin Transfer Moulding), bei dem die Carbonfasern in einem Formwerkzeug mit Harz getränkt werden und zu einem Bauteil aushärten. Die gedruckten lasttragenden Komponenten bestehend aus einer Schalenstruktur, einem A-förmigen Träger und zwei Querträgern haben ein Gesamtgewicht von ca. 80 kg.
Die Bauzeiten der Einzelteile liegen bei Wanddicken bis zu 5 mm bei 3 bis 9 Stunden. Der Kunststoff-Multigreifer ersetzt dabei die funktionsabhängig auf zwei Effektoren aufgeteilte konventionelle Greiferlösung und reduziert somit das Gesamtgewicht der eingesetzten Produktionshilfsmittel. Die Effizienz der Produktion wird durch eine reduzierte Taktzeit und dem Wegfall von Ablagebahnhöfen zusätzlich gesteigert. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist die Flexibilität. Durch den 3D-Druck aus Granulat ist es möglich, völlig neue Wege im Vorrichtungsbau zu gehen. Die Hilfsmittel lassen sich schnell modifizieren und vor Ort zeitnah an geänderte Bedürfnisse anpassen. Das spart Entwicklungskosten und verschlankt den Produktionsprozess enorm.
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Durch die Technologie ist es mit den geeigneten Materialien möglich, Anwendungen in Kunststoff umzusetzen, die vorher in Metall gefertigt wurden. Carbonfaserverstärkte Thermoplaste sind durch ihre hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte für den Leichtbau von strukturellen Anwendungen in der additiven Fertigung sehr gut geeignet. Die Maßhaltigkeit bei der Verarbeitung ist dabei insbesondere bei zunehmender Formteilgröße entscheidend. Hochverstärkte Werkstoffe bieten hier durch eine geringe Schwindung einen klaren Vorteil.
Eine Bauraumtemperierung ist für die Verarbeitung dieser Materialien, beispielsweise AKROMID® B3 ICF 40 AM black (8236), nicht erforderlich, sodass großformatige Strukturen ohne aufwändige Anlagentechnik hergestellt werden können. Durch die Direktextrusion großformatiger, lasttragender Komponenten in Kombination mit anderen kunststoffbasierten additiven Fertigungsverfahren konnte das Gewicht des Bauteilgreifers gegenüber einer konventionellen Lösung um mehr als 25 % gesenkt werden, die Bereitstellungszeiten sogar um mehr als die Hälfte. BMW hat das Potenzial des Verfahrens erkannt und sieht große Chancen für weitere Einsatzgebiete.
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