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3D-Druck im Sondermaschinenbau: Die 300 Millionen Tropfen-Frage

Zu den Top-Technologien der Digitalisierung gehört die additive Fertigung. Sie ermöglicht komplexe Geometrien, die bisher nicht realisiert werden konnten als auch Bauteile, die leichter, stabiler und materialsparender konstruiert werden können. Experten sind sich einig: Der 3D-Druck wird den Sondermaschinenbau massiv verändern.

Die Anforderungen und Wünsche der Kunden ändern sich heutzutage immer schneller. Insbesondere im Sondermaschinenbau verhelfen 3D-Druckverfahren zu mehr Flexibilität. Dies erkannte die OPTIMA Packaging Group in Schwäbisch Hall. Das Unternehmen entwirft und produziert Verpackungsmaschinen, Abfüllanlagen sowie Turnkey-Lösungen für beispielsweise Pharma-, Konsum- und Life Science-Produkte. Zu diesem Zweck wurde am Standort des Spezialmaschinenbauers ein eigenes „Additive Innovation Center“ gegründet.

Hier lernt das Engineering von OPTIMA, mit den neuen Technologien umzugehen. Neue Teile entstehen nach völlig neuen Ansätzen. Bestehende Teile können leichter, stabiler und materialsparender konstruiert werden. Somit können laut Optima-Fertigungsleiter Volker Freisinger Maschinenteile, deren Fertigung bisher eine Woche in Anspruch nahm, nun in erheblich kürzerer Zeit erstellt werden.

Verfahren für mehr Flexibilität

Bei OPTIMA werden alle gängigen 3D-Druck-Verfahren angewandt. Für eine rasche Prototyp-Entwicklung kommt das Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (DFM), das bereits seit vielen Jahren erfolgreich in der Automobilindustrie verwendet wird, zum Einsatz. Ebenso eingesetzt wird das Selektive Laser-Sintern (SLS)-Verfahren, womit eine große Vielfalt von Materialien, Farben und Nachbehandlungen möglich sind. Zusätzliche SLS-Verfahren mit einer großen Vielfalt von Nachbearbeitungsmöglichkeiten sowie zum Beispiel Färben und Glätten der Bauteile werden von einem Partner-Unternehmen gestellt.

Ein weiteres Verfahren ist das sogenannte Multi-Jet-Fusion-Verfahren, das rund 25 Prozent schneller arbeitet als zum Beispiel das SLS-Verfahren. Zudem erlaubt es über den gesamten Herstellungsprozess hinweg ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis, gerade bei komplexen Bauteilen. Damit sind Konstruktionslösungen realisierbar, die bisher nicht machbar gewesen wären. Dank der additiven Technologie lassen sich mit variierenden Wandstärken, Hohlräumen und Wabenstrukturen beispielsweise komplexe funktionsintegrierte Bauteile mit bionischem Aufbau fertigen, wie sie bei hochbelastbaren Leichtmetallkonstruktionen in der Automobilbranche üblich sind.

Mehr Möglichkeiten mit Multi-Jet-Fusion

Mit dem Multi-Jet-Fusion-Verfahren wird wie beim Lasersintern mit Polyamid 12 (PA 12) gedruckt. Im Vergleich zum Lasersintern sind mit dem Jet-Fusion-Verfahren insgesamt festere Bauteile möglich. Darüber hinaus erzielt die Technologie eine optimierte Genauigkeit, eine höhere Auflösung sowie einen deutlich schnelleren Druck. Vielfach sind die anfallenden Kosten entweder entsprechend hoch oder sogar niedriger als beim selektiven Lasersintern.

Jet-Fusion-Bauteile sind praktisch zu 100 Prozent dicht und können für Funktions- als auch Fertig-Bauteile verwendet werden. Auf Grund einer erhöhten Effizienz und herausragenden Materialeigenschaften, erweitert Jet-Fusion die Möglichkeiten der additiven Verfahren. Damit eignet sich das Verfahren nicht nur für die Fabrikation von Prototypen, sondern auch für die wirtschaftliche additive Herstellung von mindestens 5.000 Einheiten.

300 Millionen Tropfen pro Sekunde

Bei der Jet-Fusion-Technologie spritzt ein Druckkopf eine wärmeleitende Flüssigkeit (Fusing Agent) auf eine Schicht des Werkstoffpulvers. Gleich im Anschluss kommt eine Hitzequelle (Infrarotlicht) zum Einsatz. Dabei werden die Flächen heißer, wo die wärmeleitende Flüssigkeit aufgetragen wurde, als das Materialpulver ohne diese Flüssigkeit. Auf diese Weise schmelzen die jeweiligen Bereiche zusammen.

Oder anders gewendet: Die wärmeleitende Flüssigkeit nimmt mehr Energie auf als das überschüssige Pulver. Zum Isolieren und um scharfe Kanten zu erhalten, wird ein weiterer Stoff (Detailing Agent) um die Flächen außen herum aufgetragen, auf denen der Fusing Agent angebracht wsturde. Dies ist durch die Temperaturunterschiede zwischen bedrucktem und ungenutztem Pulver möglich.

Und das Leistungsvermögen kann sich sehen lassen: So werden jede Sekunde 300 Millonen Tropfen Flüssigkeit mit einer Genauigkeit von 21 µm verarbeitet. Für diesen 3D-Druck-Prozess sind auch Schutzgase erforderlich. „Im Kunststoffbereich müssen für Stoffe wie zum Beispiel Polyamide Schutzgase verwendet werden“, sagt Dirk Kampffmeyer, Experte für Schweißen und Additive Fertigungsverfahren bei Messer. „Dazu wird der Bauraum mit Stickstoff geflutet, was bei Kunststoff recht häufig gemacht wird.“

Komplexe Technologie - signifikante Vorteile

Die sogenannten „Agents“ decken den gesamten Bauteilbereich ab und verschmelzen ihn gleichmäßig. Nach dem Verschmelzen sind die Bauteile wasserdicht. Verglichen mit vielen anderen 3D-Verfahren sind die mit Jet-Fusion gedruckten Bauteile weitgehend isotrop. Das heißt, die Festigkeit ist unabhängig von seiner Richtung. Auf Grund der großen Anzahl an Druckköpfen benötigen die einzelnen Schichten für den Druck nur ein paar Sekunden.

Da der Verbindungsprozess mit dem Druckprozess kombiniert ist, sind auch keine weiteren zeitraubenden Schritte mehr nötig. Daher ist Jet-Fusion deutlich schneller als FDM oder Selektives Lasersintern. Auf diese Weise können mehr als 3 cm pro Stunde gedruckt werden. Das Lasersintern schafft nur ca. 1 cm pro Stunde. Damit ist Jet-Fusion aktuell eine der schnellsten 3D-Druck Technologien. Das Jet-Fusion System erreicht mit den kleinen Tröpfchen eine Auflösung von 1.200 dpi entlang der X-Y-Achse. Und das übersteigt im Moment jede andere additive Fertigungsmethode.

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