Q.Big 3D: Extrusionsdruck Grosse Bauteile wirtschaftlich generativ fertigen

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Mit dem Verfahren «Variable Fused Granulate Fabrication» (VFGF) lassen sich auch voluminöse Bauteile wirtschaftlich additiv fertigen. Wesentlich trägt dazu eine variabel auf kleinere und grössere Volumenströme einstellbare Düse bei.

Additiv aus Kunststoffen hergestellte Bauteile sind rasch verfügbar. Sie entsprechen weitgehend den in Serien durch Spritzgiessen produzierten Bauteilen. Zudem erweist sich generativ zu fertigen bei Prototypen und kleinen Serien als besonders wirtschaftlich. Aufwand und Kosten für Werkzeuge und Formen entfallen. Speziell Letzteres betrifft vor allem Bauteile grosser Abmessungen. Um dafür die Vorteile des 3D-Druck-Verfahrens nutzen zu können, hat die Q.Big 3D GmbH aus Backnang (D) das Verfahren «Variable Fused Granulate Fabrication» (VFGF) verwirklicht.

Granulat schichtweise extrudieren

Mit dem Verfahren VFGF vermeiden Fertigungsbetriebe die bisher einschränkenden Nachteile konventioneller und auch additiver Herstellverfahren. Bei klassischen formgebundenen Verfahren, insbesondere bei grossvolumigen Bauteilen, erweisen sich hohe Werkzeugkosten verbunden mit langen Vorlaufzeiten als ungünstig. Mit Druckern nach dem Verfahren Fused Deposition Modeling (FDM) lassen sich meist nur relativ kleine Bauteile fertigen. Zudem arbeiten diese 3D-Drucker langsam, sie haben nur kleine Aufbauraten. Darüber hinaus sind die Kosten für Filamente hoch. Wesentlich günstiger dagegen ist das Verfahren VFGF, das mit Granulaten arbeitet, die in einer Düse extrudiert und schichtweise aufgetragen werden.

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Produktiv und genau dank variabler Düse

Kernelement des Verfahrens VFGF ist der Einsatz einer variablen Düse zum Auftragen der Kunststoffe. Diese kann zum einen bei grossen Volumenströmen zum raschen Aufbauen grosser Strukturen, zum anderen bei kleineren Volumenströmen zum Generieren filigraner Strukturen bei guten Oberflächengüten arbeiten. Ersteres betrifft beispielsweise innere Füll- und Stützelemente. Die variable Düse einer Anlage Queen 1 von Q.Big 3D kann bei 1,5 mm Durchmesser im Detailmodus und bei 3 mm Durchmesser im Turbomodus schichtweise auftragen. Das ermöglicht, sehr grossvolumige Bauteile ohne Werkzeugeinsatz wegen kurzer Fertigungszeiten wirtschaftlich herzustellen. Darüber hinaus sorgt es aber für eine hohe Auflösung bei Details und filigranen Strukturen. Die Düse bewegt sich bis zu 500 mm/s schnell über die Schichten. Stündlich trägt sie 0,15 bis 2,0 kg Kunststoff im 1700 mm (x) breiten, 1050 mm (y) hohen und 1050 mm (z) tiefen Arbeitsraum (3D-Drucker Queen 1) auf. Dabei sind übliche, wirtschaftlich und problemlos beschaffbare Granulate aus unterschiedlichen Kunststoffen, wie PP, PA, ABS, TPE, TPU, PLA, einsetzbar. Diese können auch bis zu 25 Prozent mit Glasfaser gefüllt sein. Zudem sind elastische Kunststoffe druckbar.

Zum Wechsel zwischen den Auftragsmodi werden lediglich entsprechende Parameter im NC-Programm eingestellt. Somit kann der 3D-Drucker beispielsweise Oberflächen zur Aufnahme von Befestigungselementen und Sichtflächen sehr genau und bei hoher Oberflächengüte in raschem Wechsel zu auskragenden, nicht sichtbaren Stützstrukturen und Füllelementen an einem Bauteil generieren. Beim Konstruieren und Erzeugen der Programme für den 3D-Drucker Queen 1 werden diese Prozesse simuliert, um eine hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Beispiele verdeutlichen die mit dem Verfahren VFGF zu verwirklichenden technischen und wirtschaftlichen Vorteile.

Funktionsmuster für Fahrzeugbau

Ein komplexes, dünnwandiges Funktionsmuster für Heckleuchten an Wohnanhängern beziehungsweise -mobilen wird aus Polyamid GF25 gedruckt. Der Kunststoff ist flammhemmend und stabil. Seine Eigenschaften entsprechen weitgehend denjenigen der in einer Serienproduktion eingesetzten, mit Fasern gefüllten Kunststoffe. Das generativ gefertigte Bauteil ist 31 kg (inklusive Supportstrukturen) schwer. Innerhalb von 128 Stunden wird es in einem kontinuierlichen Ablauf komplett generativ aufgebaut. Als vorteilhaft erweisen sich das Fertigen ohne Werkzeuge und Formen sowie die kurze Zeit von der Konstruktion bis zum ersten Prototyp als Anschauungs- und Funktionsmuster.

Vorrichtungen zum Messen und Montieren

Speziell Vorrichtungen zum Messen und Montieren metallischer Bauteile in einer Serienfertigung, unter anderem im Automobilbau, werden meist nur als Einzelstücke oder in wenigen Exemplaren benötigt. Deshalb erweist sich 3D-Druck zum Herstellen als vorteilhaft. Beispielsweise eine 4,5 kg schwere Aufnahme zum Messen von Werkstücken im Fahrzeugbau entstand aus einem eingefärbten PLA innerhalb von nur 24 Stunden. Die gesamte Beschaffungszeit für eine solche Aufnahme verkürzte der 3D-Druck von sieben auf nur zwei Wochen. Die auf kleiner als 0,2 mm genau vorgegebene Lage einzelner Geometrien zueinander kann das 3D-Druck-Verfahren VFGF problemlos einhalten.

Stabile Rohrkrümmer für Wasserkraft

Einen 205 kg schweren Rohrkrümmer haben die Experten von Q.Big 3D aus PLA gedruckt. Das dauerte insgesamt 340 Stunden. Allerdings verkürzte es die Beschaffungszeit von 16 auf nur 4 Wochen. Zudem verminderte der 3D-Druck die Kosten verglichen mit konventionellen Herstellverfahren auf etwa die Hälfte.

Cockpit für Flugsimulator

Ein komplettes 3D-Cockpit für einen Helikopter-Simulator entstand ebenfalls additiv auf einem 3D-Drucker Queen 1 im Verfahren VFGF. Das Cockpit misst 2260 × 1780 × 1705 mm und ist 200 kg schwer. Der 3D-Drucker ermöglichte durch seine variable Düse und die somit wechselnden Dichten der aufgetragenen Kunststoffe einen Ressourcen schonenden Leichtbau.

(kmu)

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