3D-Druck

Mit Vollgas in den 3D-Druck
3 d printing detail shot
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 einen schichtweisen Aufbau im FDM-Verfahren ermöglicht hohe Produktionsgeschwindigkeiten sowie große Teile.

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3D Druck in Serie

Die als SEAM (Screw extrusion additive manufacturing) und FGF (Fused Granulate Fabrication) bekannten Direkt-Extrusionsverfahren machen die Verarbeitung technischer Kunststoffe zum Standard. Hochverstärkte Materialien wie 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 hingegen in der Regel auf einen Füllstoffgehalt von weniger als 20 % beschränkt. Das Drucken mit Standardgranulaten ist kostengünstig. Die aufwändige Herstellung von Filamenten mit präzisem Durchmesser 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. Im Vergleich zum Spritzgießen werden die Kosten eines Werkzeuges eingespart, was insbesondere bei kleineren Serien von Vorteil ist. Auch hinsichtlich der CO2-Emissionen ist SEAM ein nachhaltiger Prozess. Durch den höheren Fasergehalt ergeben sich höhere Festigkeiten und damit geringere Bauteildicken, wodurch potenziell Material eingespart wird.

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Corona-Schutzschild für VW

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.

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Granulat ICF Compound

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 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.

Additive oder generative Fertigungsverfahren

Als additive oder generative Fertigungsverfahren werden Prozesse definiert, bei denen ausgehend von 3D-Volumenmodellen, Bauteile generativ und in der Regel 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), die 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.

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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 additiv zu drucken und lokal funktionelle Bereiche durch substraktive Verfahren nachzubearbeiten.

Pellet-Extrusion in der additiven Fertigung

AKROTEK® PK-VM GF 30 FR orange (8537) ist ein Polyketon mit 30% Glasfasern und halogenfreiem Flammschutz ähnlich RAL 2003. Dieser Typ erfüllt die höchsten Anforderungen an die Entflammbarkeit wie UL94 V0 bei 0,8 und an die elektrischen Eigenschaften wie CTI von 600 V. Dieser Typ ist für die Anforderungen größerer Verarbeitungsfenster optimiert. Dieses Material wurde für das Spritzgießen entwickelt und kann auch im 3D-Druckverfahren mittels Pellet-Extrusion in der additiven Fertigung in großem Maßstab verarbeitet werden. Lesen Sie mehr über das Polyketon hier.

3D Video

Stiftehalter im 3D-Druck

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

Auf der Fakuma Messe 2021 (Halle B2 Stand 2108) wurde 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 ICF 40 1 black (8238) gedruckt. Es ist ein Polymer auf Basis von Rizinusöl. Der Biomasseanteil im Polymer liegt bei 97 %, das Compound ist zudem mit 40 % wiederverwerteten Kohlefasern (PIR) verstärkt.

3d video 2

Hannover Messe 2018

Das Video zeigt die additive Fertigung eines Gehäuseteils aus AKROMID® B3 ICF 30 AM (7451) durch das IKV Aachen, aufgenommen auf der Hannover Messe 2018.

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

Hybride Fertigung video
Nicolai Lammert – Institut für Kunststoffverarbeitung in Aachen

Ultimative Bruchspannung

Dr.-Ing. Nicolai Lammert, leitete die Arbeitsgruppe additive Fertigung am Institut für Kunststoffverarbeitung in Aachen war für die Entwicklung und Implementierung der hybriden Fertigungszelle verantwortlich, die bereits auf der K2016 gezeigt wurde. In dieser Funktion führte er eine tiefgehende Verfahrensbewertung durch und äußert sich positiv: „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.“ Herr Dr. Nicolai Lammert industrialisierte die Technologie als Head of Business Unit additive Manufacturing bei der Yizumi Germany GmbH und hat dort inzwischen die Geschäftsführung übernommen.

 

Dr. Jan Dormanns – SMP Deutschland GmbH

Bauteile in 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.

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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.
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