Modulare Vielseitigkeit für Präzisionsdruckteile

APS Tech Solutions ist ein Geschäftsbereich der Automatisierten Produktions Systeme GmbH in Höchst, Österreich. Das 1987 gegründete Unternehmen bietet Engineering-, Mechanik- und Roboterlösungen für 3D-Wasserstrahlschneid- und Werkzeugmaschinen für die Automobil-, Luftfahrt- und Maschinenbauindustrie.

„Vor drei Jahren wollten wir einen sehr vielseitigen 3D-Drucker haben, konnten aber nichts finden, was unseren Anforderungen entspricht“, sagt Nicolai Wampl, Business Development bei APS Tech Solutions. „Also haben wir unser eigenes System entwickelt, den Wizard 480+, das wir letztes Jahr auf den Markt gebracht haben. Er kann mit Endlosfasern, thermoplastischen Standardfilamenten, Metall oder Keramik drucken.“

Der Wizard 480+ hat ein Druckvolumen von 400 Millimeter Länge x 230 Millimeter Breite x 370 Millimeter Höhe und ein bis zu 200°C beheizbares Druckbett. Düsen für den Endlosfaser-Filamentdruck können bis zu 500°C erhitzt werden.

Brauchen wir wirklich einen weiteren Desktop-Drucker für industrielle Verbundwerkstoffe? „Unser Ziel war kein Desktop-Drucker für den industriellen Einsatz, sondern eine echte Industriemaschine“, sagt Wampl. „Wir wollten einen vielseitigen Drucker ohne Einschränkungen, aber mit einer Einrichtung, die nicht überfordert. Sie können beispielsweise einen kostengünstigen Desktop-Drucker vielseitiger umbauen, dies erfordert jedoch viel Know-how und Zeit. Auf der anderen Seite steht ein Industriedrucker, bei dem man großvolumige Teile in einer Handvoll Materialien drucken kann, aber wenn man etwas Neues drucken möchte, wird es schwierig. Wir wollten Teile aus allen Materialien drucken, die auf dem Markt sind, aber in hoher Qualität.“ Das unten beschriebene Ersatzteil für ein Stanzwerkzeug erforderte beispielsweise eine Genauigkeit von 0,02 Millimetern.

„Die 3D-Wasserstrahlschneid- und Werkzeugmaschinen, mit denen wir arbeiten, müssen präzise gebaut sein, um richtig zu funktionieren“, erklärt Wampl. „Wir haben dieses Wissen in den Wizard 480+ eingebracht, um die Genauigkeit gedruckter Teile zu erhöhen. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass wir ein Werkzeugwechselsystem wie auf einer CNC-Maschine haben, das es uns ermöglicht, mehrere Arten von Materialien in einem Druck zu verwenden. Möchte ein Kunde beispielsweise zwei verschiedene Arten von Endlosfasern in einem einzigen Druck verwenden, ist dies möglich, da die Druckköpfe austauschbar sind. Drucke können Hochleistungskunststoffe wie PEEK [Polyetheretherketon] und PEKK [Polyetherketonketon] sowie Polyamid [PA] und kommerziell erhältliche FDM [Fused Deposition Modeling] Filamente verwenden. Nicht jedes Teil benötigt Endlosfasern. Wir haben auch einen Druckkopf für einfache Keramik- und Metallgrünteile zum Beispiel aus Stahl oder Titan.“ Beachten Sie, dass Keramik- und Metallteile in einem zweiten Schritt gesintert werden müssen und aufgrund dieser Hochtemperatur-Nachbearbeitung keine Kunststoffe enthalten.

Offenes System

„Die meisten Unternehmen haben zwei separate Maschinen für Metalle und Nichtmetalle“, bemerkt Wampl. „Aber für Neuentwicklungen möchte man nicht jedes Mal, wenn man ein neues Material ausprobiert, einen neuen Drucker kaufen müssen. Wir wollten kein geschlossenes und eingeschränktes System, sondern ein modulares, flexibles System, mit dem man die gedruckten Teile erweitern oder verändern kann.“ Der Kunde möchte beispielsweise mit Endlosfasern und thermoplastischem Polyurethan (TPU) drucken. „Dies ist ein schwieriges Material, da seine Viskosität so schnell abfällt, dass es schwierig ist, die Konsistenz während des Druckens aufrechtzuerhalten. Aber wir wollten einen Drucker, der dafür geeignet ist.“

Der Wizard 480+ ist für das Drucken mit jedem Endlosfilament ausgelegt, einschließlich Glasfaser- oder Kupferdraht. „Unser Standard-Endlosfaserfilament ist 1K-Carbonfaser/PA, aber wir haben auch PEEK und PLA [Polymilchsäure] verwendet und können bis zu 3K-Carbonfasern gehen“, sagt Wampl. APS Tech Solutions möchte Endlosfilamente auf den Markt bringen, aber sein Drucker ist nicht darauf beschränkt.

Der Wizard 480+ ist auch in seiner Software geöffnet. „Wir brauchten immer spezielles Engineering“, sagt Wampl, „deshalb wollten wir möglichst viel Kontrolle haben. Bei vielen Druckern sind Sie durch die Software etwas eingeschränkt. Aber mit unserer Software können Sie die Fasern genau dort platzieren, wo Sie sie haben möchten, und Sie werden durch keinen Algorithmus eingeschränkt. Obwohl Sie einen Algorithmus verwenden können, um zu generieren, wo die Fasern sein sollten, wollten wir, dass die Ingenieure kontrollieren, wie die Fasern platziert werden, weil sie wissen, wie das Teil verwendet werden soll und welche Kräfte wo wirken.“

Dabei sei das System relativ einfach zu bedienen, sagt Wampl. „Um beispielsweise mit zwei verschiedenen Materialien zu drucken, erstellen Sie zwei verschiedene Teile in CAD. Anschließend wählen Sie mit Simplify3D [Cincinnati, Ohio, U.S.] aus, welches Teil in welchem ​​Material gedruckt wird, einer Slicer-Software, die für viele industrielle 3D-Drucker verwendet wird. Wir haben dann einen Postprozessor, der den zu druckenden G-Code erstellt. Simplify3D ermöglicht die Einrichtung aller Druckparameter wie Höhe und Dichte der Füllschicht. Für die Nachbearbeitung ziehen Sie die Datei einfach per Drag &Drop, und das wird an unsere Maschine angepasst, da wir einige Funktionen haben – wie den Werkzeugwechsler und die Verwendung von Endlosfaserfilamenten – die nicht sehr verbreitet sind.“

„Wir haben wirklich nur eine Einschränkung“, sagt Wampl, „das ist die Länge des gedruckten Filaments. Wir haben eine Mindestlänge von 20 Millimetern. Wenn ein Ingenieur eine bestimmte gedruckte Länge kürzer als 20 Millimeter macht, treten Komplikationen auf und die Nachbearbeitung sagt Ihnen, dass dies nicht möglich ist.“

Qualität erwartet, geliefert

Erster Kunde des Wizard 480+ war der Hochleistungs-Stanzwerkzeughersteller Stepper Fritz GmbH &Co. KG. (Pforzheim, Deutschland). „Sie brauchten ein Ersatzteil für eines ihrer Werkzeuge und fragten, ob wir es drucken könnten“, sagt Wampl. „Sie hatten Schwierigkeiten, einen 3D-Drucker für diese Aufgabe zu finden, da die komplexe Geometrie und die Kombination der erforderlichen Materialien, einschließlich kontinuierlicher Kohlefasern, thermoplastischer Matrix und wasserlöslicher Träger, erforderlich waren.“ Die Vorgängerversion dieses Teils wurde aus CNC-gefrästem Aluminium gefertigt. „Wir haben das Teil ohne Formänderung gedruckt und auch Gewinde für Einsätze integriert“, sagt Wampl. „Wir haben ein handelsübliches, geschnittenes, mit Kohlefasern gefülltes PA-Filament für die Außenschale und unser Endlos-Kohlefaser-/PA-Filament für die Innenseite verwendet.“

Stepper bewertete das Teil, stellte fest, dass es die erforderliche Genauigkeit erreichte, und bestellte dann unsere erste Maschine, sagt Wampl. „Sie betreiben es seit Juli 2020 ohne Probleme und sagen uns, dass es immer noch Teile mit dieser Genauigkeit produziert.“

Hohe Qualität zeichnet auch die druckfertigen Faserverbundwerkstoffe aus, wie das Schliffbild im Anfangsbild oben zeigt. Mit fünf Schichten 1K kohlenstofffaserverstärktem 1K-PEEK-Filament von APS Tech Solutions wurde das Teil direkt nach dem Drucken ohne weitere Konsolidierung oder Nachbearbeitung geschnitten und mikroskopiert. Das Material wurde auch an der FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg, Deutschland) getestet und an der Universität Bayreuth (Bayreuth, Deutschland) mikroskopiert. Die Ergebnisse zeigen eine Zugfestigkeit von 1.060 Megapascal und eine Biegefestigkeit von 750 Megapascal. „Allerdings waren dies sehr vorläufige Tests und wir bereiten jetzt standardisiertere Tests vor, bei denen unsere Techniker glauben, dass wir noch höhere Eigenschaften erreichen werden“, sagt Wampl.

„Unsere Verkäufe gehen vorerst hauptsächlich an Universitäten und Unternehmen wie Stepper, die mit dem Markt nicht zufrieden sind“, sagt Wampl. „Es gibt Endlosfaser-3D-Drucker mit guter Technologie, aber die meisten sind in Bezug auf Materialien oder Software eingeschränkt. Unser Ziel ist es, Kunden zu bedienen, die höchste Teilequalität und Flexibilität benötigen, wie z. B. Maschinen- und Spezialmaschinenbauer sowie diejenigen, die in der Materialwissenschaft und -entwicklung tätig sind.“

Das Unternehmen arbeitet weiter an eigenen Neuentwicklungen, wie der Anpassung seines Systems für einen sechsachsigen Roboterarm und Materialien für Raumfahrtanwendungen. „Wir glauben, dass 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe eine viel breitere Anwendung finden als bisher, aber wir erweitern diesen Horizont und ermöglichen neue Möglichkeiten für industrielle Teile.“