LFAM-Drucker überschreiten physikalische Grenzen

Hersteller von Maschinen für die großformatige additive Fertigung (LFAM) setzen weiterhin auf die Gesetze der Physik.

One hat gerade seinen größten 3D-Drucker aller Zeiten verkauft, der Teile mit einer Länge von fast 20 Fuß (6,1 m) herstellen kann. Ein anderer stellt eine LFAM-Maschine her, die in einem 45°-Winkel drucken kann. Und wieder ein anderer verfügt über eine neue Maschine, die ausschließlich zur Herstellung von Verbundformen dient und die Werkzeuge gleichzeitig druckt und gießt.

Gleichzeitig bilden großformatige 3D-Drucker keine Ausnahme, da die Rechenleistung immer mehr Vorgänge in modernen Werkzeugmaschinen übernimmt.

BigRep America Inc., Wilmington, Massachusetts, ist möglicherweise der jüngste Hersteller von LFAM-Maschinen, der an den Gehirnen herumfummelt, die den Betrieb einer seiner Maschinen steuern, und so den Pro.2 hervorgebracht hat. Mit dem neuen Modell gehört die manuelle Kalibrierung des Druckbetts, der Extruder und des Dual-Extruder-Mechanismus der Vergangenheit an.

„Von außen betrachtet sieht es genauso aus, aber wir haben uns wirklich auf die Benutzerfreundlichkeit konzentriert“, sagte Marco Mattia Cristofori, Leiter Produktmarketing der Muttergesellschaft BigRep GmbH, Berlin. „Wir haben viel am MXT-Steuerungssystem gearbeitet, damit der Computer viel intelligenter ist. Das Hauptaugenmerk liegt darauf, dass sich der Benutzer nur auf das Schneiden und Vorbereiten des G-Codes konzentrieren kann.“

Die Updates im MXT-System sind Teil von BigReps neuem Jumpstart, einer „hybriden Software-Hardware-Lösung, mit der Sie den Aufwand überspringen und einfach mit dem Drucken beginnen können“, heißt es auf der Website des Unternehmens. Jumpstart besteht aus zwei weiteren Komponenten: Switchplate, einem abnehmbaren und flexiblen Druckbett, das mithilfe von Magneten einrastet; und Lockstage, ein Hilfsmittel zur einfachen und sicheren Extrudermontage, bei dem die Extruder auch einrasten.

Das neue Modell wird vom Precision Motions Portal von BigRep unterstützt, einem maßgeschneiderten Portal, das von CNC-Komponenten von Bosch Rexroth angetrieben wird, einschließlich Servomotoren mit integrierten Encodern.

„Das Portal ist viel leichter und kann Genauigkeit und Geschwindigkeit wirklich steigern“, sagte Cristofori.

Metso Outotec, ein globaler Anbieter von Geräten und Lösungen für die Mineralverarbeitungs- und Metallveredelungsindustrie, stellte früher Formen und Kernkästen für den Metallguss her, indem er zunächst Holzblöcke zusammenklebte. Der resultierende Holzblock würde dann mit einer CNC gefräst.

Im Februar 2021 installierte die Gießerei des Unternehmens in Brasilien jedoch einen BigRep Pro, der den Bedarf an schweren Holzblöcken weitgehend ersetzt hat. Nachdem Patricia Moraes, die in der Gießerei für den 3D-Druck verantwortlich ist, 70 Teile auf ihrem Pro gedruckt hatte, stellte sie fest, dass Metso die Musterkosten um bis zu 70 Prozent gesenkt, die Produktion beschleunigt und die Handhabung der Polymermodelle einfacher gemacht hat, weil sie leichter sind als Holz und gibt Lagerraum frei, der zuvor für Holz reserviert war.

BigRep hat kürzlich auch sein Flaggschiffmodell One weiterentwickelt, um den One.4 zu produzieren. Der One.4 ist vollständig konfigurierbar, es stehen Einzel-, Doppel- und Doppelextruder zur Verfügung. Der Dual-Modus ermöglicht es einem Benutzer, im zweiten Extruder mit wasserlöslichem Stützmaterial zu drucken. Oder sie nutzen für komplexere Anwendungen zwei Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in den Extrudern.

Das gleiche Material kann für einen Druck und seine Stützen verwendet werden, die sofort abbrechen. Aber für ein „radikal“ verbessertes Oberflächenfinish sollten Benutzer auf das wasserlösliche Trägermaterial von BigRep zurückgreifen, das sich vollständig abwaschen lässt, sagte Tim Ruffner, Vertriebsleiter für Amerika. Zoeller, ein in Deutschland ansässiger Hersteller von Abfallsammelfahrzeugen, rüstete einen 2019 gekauften One auf Doppelextruder um, um die Produktion zu steigern.

Die Beschleunigung der Prototypen-Iterationen durch 3D-Druck trägt dazu bei, Zoellers Bedarf an ständiger Anpassung zu erfüllen, um den länderspezifischen Sicherheits- und Schutzvorschriften für seine Fahrzeuge zu entsprechen, die in vielen verschiedenen Ländern eingesetzt werden. Da die nächste Generation von Fahrzeugen mechanische Hebegeräte anstelle menschlicher Müllentsorger verwendet, müssen die Fahrzeuge auch in der Lage sein, verschiedene Arten von Behältern zu heben.

Bevor Zoeller den 3D-Druck einführte, mussten Komponenten zur Unterbringung von Steuerungen, Lichtern und Sensoren mühsam aus Stahlblechen geformt werden. Die Entwicklung dieser Prototypen dauerte nicht nur lange, sondern sie waren auch hinsichtlich Komplexität, Präzision und Materialeigenschaften begrenzt.

Was für einen Unterschied der 3D-Druck für das Unternehmen gemacht hat: Prototyp-Iterationen dauern jetzt Tage, nicht Wochen; Kunden können geänderte Teile schnell prüfen, während ihre Ideen frisch im Kopf sind; Und die gedruckten Prototypen lassen sich leicht in Fahrzeuge einbauen, sodass sie unter realen Bedingungen getestet werden können.

Im Jahr 2020 konkurrierten Thermwood Corp. und General Atomics Aeronautical Systems Inc. in einem direkten Vergleich zweier additiver Fertigungsmethoden zur Herstellung eines CNC-Trimmwerkzeugs.

Das Luft- und Raumfahrtunternehmen verwendete ein Handauflegeverfahren, um das Carbonfaser-Laminat-Trimmwerkzeug herzustellen, das während der Bearbeitung als Halterung für eine andere Form oder ein anderes Werkzeug verwendet wird. Thermwood hat auf seinem LSAM (Großserien-Additive Fertigung) 1020 ein Teil mit einem Gewicht von 1.190 lb (539,77 kg) in 3D gedruckt und dabei ABS-Pellets mit 20 Prozent Kohlefaserfüllung verwendet.

„Nachdem wir es gedruckt und maschinell bearbeitet hatten, führten sie eigene Tests durch, die auf Kosteneinsparungen und ähnliches basierten. Sie kamen zu uns zurück und sagten, dass dadurch im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden, die sie verwendeten, rund 50.000 US-Dollar gespart wurden“, sagte Duane Marrett, Vizepräsident für Marketing bei Thermwood, Dale, Indiana. „Der Druck dauerte 16 Stunden und der Zuschnitt 32 Stunden. Normalerweise hätte es von Anfang bis Ende bei der bisherigen Vorgehensweise sechs bis acht Wochen gedauert, und mit dem LSAM dauerte es weniger als zwei Wochen.“

Dank des zweiten von zwei Portalen der Maschine, dieses für eine fünfachsige CNC-Fräse, erfolgten sowohl das Drucken als auch das Beschneiden innerhalb der 1020. „Sie können gleichzeitig arbeiten – während einer druckt, schneidet der andere zu“, sagte Marrett. Die Doppelfunktion der Maschine ist nicht der einzige Beweis für die Vielseitigkeit des 1020.

Thermwood hat die Maschine mit drei Druckmodi ausgestattet – horizontal, vertikal und im Winkel, „was unser neuestes Produkt ist“, sagte Marrett. Beim Winkelschichtdruck werden ein spezieller Tisch und eine einzigartige Konfiguration des Druckkopfs verwendet, um das Material in einem 45°-Winkel auszugeben. „Das ermöglicht viel Flexibilität“, sagte Marrett.

Für die Schifffahrtsindustrie hat Thermwood mit Techmer Electrafil ABS LT1 3DP ein Bootsrumpfmuster für die White River Marine Group 3D-gedruckt. Während es sich bei dem Muster nicht um eine direkte Demonstration wie bei General Atomics handelte, besteht die traditionelle Methode zur Herstellung des Teils darin, einen Rohling mit Holz- oder Schaumstoffschichten zusammenzukleben und dann den größten Teil des Materials wegzubearbeiten, ein Prozess, der … könnte Monate dauern.

„Das war ein neues Design, das uns der Bootshersteller zum Drucken gegeben hat“, sagte Jason Susnjara, Executive Vice President von Thermwood, als Reaktion auf Kommentare zu einem YouTube-Video, das den Druck des Bootsrumpfs zeigt.

Der gesamte Druck-, Montage- und Zuschnittprozess dauerte weniger als 10 Arbeitstage und kostete etwa 15.000 US-Dollar an Material. Nachdem Thermwood die Rumpfabschnitte nahezu endlos per 3D-Druck gedruckt hatte, bearbeiteten die Bediener dort die Enden, um sie abzuflachen, und zwar mithilfe eines CNC-Bearbeitungszentrums, das Teil des LSAM ist. Anschließend verwendeten sie ein Epoxidharz, um die Abschnitte miteinander zu verbinden.

„Genau wie bei der Herstellung eines Werkzeugs für fast alles: Wenn man mit einem großen Materialblock beginnt, muss man am Ende den Großteil davon wegbearbeiten“, sagte Susnjara. „Wir bieten CNC-Bearbeitungszentren, die genau das können. Der 3D-Druck ermöglicht es uns, ein Objekt zu drucken, das etwas größer als die endgültige Größe ist, wodurch viel weniger Materialabtrag erforderlich ist. Der 3D-Druck ist außerdem schneller als die maschinelle Bearbeitung. Im Allgemeinen haben wir festgestellt, dass die Bearbeitung je nach Geometrie und Finish etwa dreimal länger dauert als der Druckzyklus.“

Was die Druckgeschwindigkeit bestimmt, ist im Wesentlichen die Abkühlgeschwindigkeit des zu druckenden Polymers. Da die Raupe des LSAM vergleichsweise 0,5 Zoll (12,7 mm) groß ist, verrichtet der Drucker seine Arbeit in einer Umgebung mit Raumtemperatur. Die gedruckte Raupe muss ausreichend abkühlen, um die nächste Schicht zu tragen, muss aber dennoch warm genug sein, um vollständig mit ihr zu verschmelzen Das bedeutet, dass es einen spezifischen Temperaturbereich gibt, der für jedes Polymer unterschiedlich ist. Diese Zeitspanne ist die schnellste Zeit, in der eine Schicht gedruckt werden kann, unabhängig von ihrer Größe.

Sciaky Inc., Chicago, dessen Schweiß- und 3D-Drucktechnologie beide mit einem Elektronenstrahl betrieben werden, erhielt Anfang 2022 seinen bisher größten Auftrag. Der Auftrag umfasst ein maßgeschneidertes additives Fertigungssystem der EBAM 300-Serie – die weltweit größte elektronenstrahlgesteuerte Energie 3D-Drucker für Metallabscheidung – ist für die Anlage der Turkish Aerospace Industries (TAI) in Ankara, Türkei. TAI wird die Sciaky EBAM-Maschine zum Drucken von Titan-Flugzeugstrukturen verwenden.

Der Vertrag zwischen TAI und Sciaky umfasst auch die Zusammenarbeit bei einer Reihe von Projekten, die darauf abzielen, die Nutzung der EBAM-Maschine und ihrer Technologie durch den Kunden zu optimieren.

„Im Allgemeinen arbeiten wir mit hochwertigen Materialien wie Titan, Niob, Inconel, Tantal – viele Dinge, die sehr spezifisch für die Luft- und Raumfahrt und Verteidigung sind, sicherlich Dinge, die als sehr stark gelten und für sehr raue Umgebungen geeignet sind; Material, das Dingen wie Weltraum und Verteidigung standhalten kann“, sagte Jay Hollingsworth, PR-Direktor bei Phillips Service Industries Inc., der Muttergesellschaft von Sciaky.

Neben dem 3D-Druck kann die EBAM 300 auch für das Elektronenstrahlschweißen (EB) für Großanwendungen ausgerüstet werden. Dies bedeutet, dass TAI den Vorteil hat, EB-Schweißen und 3D-Druckfunktionen für Anwendungen zu kombinieren, die beide Technologien erfordern.

„Das AM-System kann schnell umschalten, um die Schweißfunktionen auszuführen“, sagte Hollingsworth. „So können Sie eine schöne, große Flugzeugstruktur bauen und wenn die Anwendung mit einem anderen Teil des Flugzeugs oder was auch immer Sie bauen, verbunden werden muss, können Sie dieses Teil schweißen. Es ist ein Zwei-gegen-eins-Verhältnis und es gibt nicht viele Maschinen auf der Welt, die das können.“

Für Qualität und Kontrolle nutzt das EBAM 300 das Interlayer-Echtzeit-Bildgebungs- und Sensorsystem von Sciaky, das die Metallablagerung präzise und wiederholbar erfassen und digital selbst anpassen kann. Diese Regelung im geschlossenen Regelkreis ist der Hauptgrund dafür, dass das EBAM-3D-Druckverfahren von Sciaky eine konsistente Teilegeometrie, mechanische Eigenschaften, Mikrostruktur und Metallchemie vom ersten bis zum letzten Teil liefert, heißt es in vorbereiteten Bemerkungen des Unternehmens.

Hollingsworth wies auf die Vorteile hin, die der 3D-Druck von Titanteilen für Kunden wie TAI bietet. „Für eine Branche wie die Luft- und Raumfahrt, die mit diesen wirklich teuren Materialien zu tun hat, dauert der Kauf eines großen Stücks Titan oder eines Knüppels sehr lange“, sagte Hollingsworth. „Häufig bestellt jemand einen Titanblock, der aus Russland kommt und es kann 15 Monate dauern, bis er ihn erhält. Für unser System ist Kabel in Hülle und Fülle vorhanden. Und Sie werden nicht das ganze Material verschwenden, indem Sie es wegschneiden. Wenn Sie das Teil [mit einem subtraktiven Prozess] herstellen, verschwenden Sie 80 Prozent des Titans, und das ist ziemlich teuer. Dadurch verkürzen wir die Markteinführungszeit und reduzieren gleichzeitig den Abfall.“

Hollingsworth sagte, dass das Teil nach dem Drucken noch etwas bearbeitet werden müsse, beschrieb dies jedoch als „minimal“. Er wies darauf hin, dass auch andere große Hersteller der Luft- und Raumfahrtindustrie, darunter Airbus und Lockheed Martin, über die EBAM-Technologie von Sciaky verfügen. „Wir haben Glück, dass viele unserer Prozesse für den Land-, See-, Luft- und Weltraumbereich zugelassen wurden und wir arbeiten an der Einführung von Verkehrsflugzeugen“, sagte Hollingsworth. „Und sicherlich erwägen alle großen Flugzeughersteller die additive Fertigung und tätigen ihre Investitionen, weil sie die Zeichen der Zeit erkennen.“

Unterdessen hat Massivit 3D, Lod, Israel, die Chemie seines UV-härtenden Materials optimiert, um es für die Verwendung in einem neuen 3D-Druckverfahren wasserzerbrechlich zu machen. Das leicht veränderte Material Dimengel 50 wurde für die Verwendung mit dem ebenfalls neuen Modell Massivit 10000 des Unternehmens entwickelt und wird zum Drucken einer Schale für eine isotrope Verbundwerkstoffform verwendet.

„Wenn Sie jemals jemanden gesehen haben, der eine Form für ein Fundament erstellt, handelt es sich dabei um das gleiche Konzept“, sagte Mike Clark, Vertriebsleiter für Verbundwerkstoffe in Nordamerika. „Eine Außenwand und eine Innenwand.“

Dabei werden acht bis zehn Schichten der „Wände“ in 1-mm-Schritten gedruckt. Dann fährt ein zweiter Druckkopf ein und gibt zweiteiliges Epoxidharz in den leeren Spalt zwischen den Wänden aus. Die Druck- und Gießschritte werden wiederholt, bis die Form fertig ist.

„Also druckt man etwas aus, man gießt etwas ein“, sagte Clark.

Die offene Zeit bzw. die Zeit, die die gemischten Materialien benötigen, um ihre Grünfestigkeit zu erreichen, beträgt etwa 20 Minuten. Diese offene Zeit ermöglicht es den Gussschichten, sich zu vermischen, wodurch ein echtes isotropes 3D-gedrucktes Formwerkzeug entsteht, sagte Clark. Nach dem Drucken und der optionalen sekundären Wärmebehandlung wird das Teil in Wasser eingeweicht, wodurch die Dimengel 50-Wände zerfallen. Nach dem Trocknen kann das Teil geschliffen, poliert und poliert werden.

„Formenhersteller benötigen normalerweise zwischen 19 und 25 Schritte, um eine Verbundwerkstoffform herzustellen, aber hier sind es nur vier Schritte“, sagte Clark. Die Verfeinerung des Prozesses spart auch Zeit und führt zu einer Zeitersparnis von bis zu 80 Prozent, einer Reduzierung des Arbeitsaufwands um 90 Prozent und einer Reduzierung der Gesamtbetriebskosten für die Werkzeuge um bis zu 75 Prozent, sagte Clark.

Clark betonte nicht nur die Zeitersparnis, sondern auch die isotrope Eigenschaft der auf dem 10000 hergestellten Formen. „Unser Material ist ein festes Material“, sagte er. „Auf der X-, Y- und Z-Achse sind der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeformbeständigkeitstemperatur – alle diese Eigenschaften sind gleich, unabhängig von der Ausrichtung. Bei einem herkömmlichen FDM-Drucker müssen Sie das Teil auf eine bestimmte Weise ausrichten, damit die Z-Achse nicht die Hauptlast trägt, da das schwächste Glied in einem gedruckten Teil die Laminierung, die Verbindung [der Schichten] oder deren Fehlen ist .“

Massivit arbeitete mit ACS Hybrid Inc. und 3D Composites zusammen, um ein Werkzeug für ein Luft- und Raumfahrtteil auf einem Massivit 1800 Pro zu drucken, das 45 Zügen in einer Thermoformmaschine standhielt. Traditionell bestehen die Werkzeuge entweder aus hochdichtem Schaumstoff oder Aluminium. „Der hochdichte Schaumstoff hält 50 Züge nicht aus“, sagte Clark. Das Metallwerkzeug wäre weitaus langlebiger, aber beim Thermoformen möchte man, dass eine Form etwas Wärme speichert, und Aluminium ist ein Leiter.

„Wenn Sie dieselbe Form mit dem 10000 unter Verwendung von CIM [Cast-in-Motion] 155 herstellen würden, würden Sie Tausende [von Zügen] erhalten“, sagte Clark. Da CIM 155 ein Isolator ist, bleibt es länger auf Temperatur als Aluminium. Der 1800 Pro und zwei weitere Modelle, der 1800 und der 5000, nutzen die originale gelverteilende 3D-Drucktechnologie des Unternehmens unter Verwendung eines Materials auf Acrylbasis.

Im Jahr 2019 arbeiteten Massivit und Streetfighter LA, ein Hersteller von Autoteilen und Wide-Body-Kits, an einem 2020 Toyota Supra MK5 Wide-Body-Kit zusammen, der 16 Teile umfasste, die auf einem 1800 Pro in 3D gedruckt wurden. Zu den Teilen gehörten Karosserieteile, die Frontlippe und der dynamische Heckflügel. Das große Druckvolumen des 3D-Druckers ermöglichte den Druck von Teilen wie der Frontlippe und dem Heckspoiler in einem einzigen Teil mit einer Länge von bis zu 5 Fuß (1,52 m).

Dies ermöglichte die Herstellung von Prototypen in 64 Stunden, was wesentlich schneller ist als alle herkömmlichen Prototyping-Methoden für die Automobilindustrie wie Pappe, Ton oder Schaum. Die Verfügbarkeit von zwei Druckköpfen bei Massivit 3D-Drucklösungen ermöglicht die parallele Produktion von zwei Prototypenteilen. Es können schnell mehrere Iterationen erstellt werden, wodurch die Zeit bis zur Markteinführung präziser, symmetrischer Teile verkürzt wird.

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