Modulare Präzisionsdrucklösungen für Automotive & Aerospace

APS Tech Solutions ist eine Division von Automatisierte Produktions Systeme GmbH in Höchst, Österreich. Gegründet 1987, bietet das Unternehmen Engineering, mechanische und robotische Lösungen für 3D-Wasserstrahlschneiden und Werkzeugmaschinen in Automotive, Aviation und mechanischen Märkten.

„Vor drei Jahren wollten wir einen sehr vielseitigen 3D-Drucker, aber konnten nichts finden, das unsere Anforderungen erfüllte“, sagt Nicolai Wampl, Business Development für APS Tech Solutions. „Also haben wir unser eigenes System erstellt, den Wizard 480+, den wir letztes Jahr launchten. Er kann mit Endlosfaser, Standard-Thermoplast-Filamenten, Metall oder Keramik drucken.“

Der Wizard 480+ hat ein Baubvolumen von 400 mm lang x 230 mm breit x 370 mm hoch und ein Druckbett, das auf 200 °C beheizt werden kann. Düsen für Endlosfaser-Filamentdruck können auf 500 °C beheizt werden.

Brauchen wir wirklich einen weiteren Desktop-Drucker für industrielle Composites? „Unser Ziel war kein Desktop-Drucker für industriellen Einsatz, sondern mehr eine echte Industriemaschine“, sagt Wampl. „Wir wollten einen vielseitigen Drucker ohne Restriktionen, aber mit einem Setup, das nicht überwältigend ist. Zum Beispiel kannst du einen Low-Cost-Desktop-Drucker modifizieren, um vielseitiger zu sein, aber das erfordert viel Know-how und Zeit. Am anderen Ende ist ein Industrialdrucker, wo du Hochvolumen-Teile in einer Handvoll Materialien drucken kannst, aber wenn du was Neues drucken willst, wird es schwierig. Wir wollten Teile mit jedem Material drucken, das am Markt ist, aber in hoher Qualität.“ Zum Beispiel benötigte das Ersatzteil für ein Stempelwerkzeug, das unten besprochen wird, Genauigkeit von 0,02 mm.

„Die 3D-Wasserstrahlschneid- und Werkzeugmaschinen, mit denen wir arbeiten, müssen präzise gebaut sein, um korrekt zu operieren“, erklärt Wampl. „Wir haben dieses Wissen in den Wizard 480+ gesteckt, um die Genauigkeit gedruckter Teile zu erhöhen. Ein weiterer Unterschied ist, dass wir ein Werkzeugwechselsystem wie an einer CNC-Maschine haben, was uns erlaubt, multiple Materialarten in einem Druck zu nutzen. Zum Beispiel, wenn ein Kunde zwei verschiedene Arten Endlosfasern in einem Druck nutzen will, ist das möglich, weil die Druckköpfe austauschbar sind. Drucke können Hochleistungskunststoffe wie PEEK [Polyetheretherketon] und PEKK [Polyetherketoneketon], sowie Polyamid [PA] und kommerziell verfügbare FDM [Fused Deposition Modeling] Filamente nutzen. Nicht jedes Teil braucht Endlosfaser. Wir haben auch einen Druckkopf für einfache Keramik- und Metall-Grünteile mit Stahl oder Titan, zum Beispiel. Beachte, dass Keramik- und Metallteile in einem zweiten Schritt gesintert werden müssten und keine Kunststoffe einschließen würden wegen dieser Hochtemperatur-Nachbearbeitung.“

Offenes System

„Die meisten Firmen haben zwei separate Maschinen für Metalle versus Nicht-Metalle“, merkt Wampl an. „Aber für neue Entwicklungen willst du nicht jedes Mal einen neuen Drucker kaufen müssen, wenn du ein neues Material testest. Wir wollten kein System, das geschlossen und restriktiv ist, sondern ein modulares, flexibles System, mit dem du gedruckte Teile erweitern oder ändern kannst.“ Zum Beispiel möchte der Kunde mit Endlosfaser und Thermoplastischem Polyurethan (TPU) drucken. „Das ist ein schwieriges Material, weil seine Viskosität so schnell abfällt, dass es schwer ist, Konsistenz während des Druckens zu halten. Aber wir wollten einen Drucker, der das accommodate kann.“

Der Wizard 480+ ist designed, um mit jedem Endlosfilament zu drucken, einschließlich Glasfaser oder Kupferdraht. „Unser Standard-Endlosfaser-Filament ist 1K Carbonfaser/PA aber wir haben auch PEEK und PLA [Polylactide] genutzt und können bis 3K Carbonfaser gehen“, sagt Wampl. APS Tech Solutions will Endlosfilamente am Marktplatz anbieten, aber sein Drucker ist nicht auf diese beschränkt.

Der Wizard 480+ ist auch offen in seiner Software. „Wir haben immer spezielles Engineering gebraucht“, sagt Wampl, „und deshalb wollten wir die maximale Kontrolle. Mit vielen Druckern bist du etwas durch die Software limitiert. Aber mit unserer Software kannst du die Fasern genau dort platzieren, wo du sie willst, und bist nicht durch irgendeinen Algorithmus restriktiv. Obwohl du einen Algorithmus nutzen kannst, um zu generieren, wo die Fasern sein sollten, wollten wir, dass Ingenieure kontrollieren, wie die Fasern platziert werden, weil sie wissen, wie das Teil genutzt wird und welche Kräfte wo landen.“

Das gesagt, ist das System relativ einfach zu nutzen, sagt Wampl. „Zum Beispiel, um mit zwei verschiedenen Materialien zu drucken, erstellst du zwei verschiedene Teile in CAD. Du wählst dann, welches Teil in welchem Material gedruckt wird, mittels Simplify3D [Cincinnati, Ohio, USA], einer Slicer-Software für viele industrielle 3D-Drucker. Wir haben dann einen Post-Prozessor, der den G-Code zum Drucken erstellt. Simplify3D ermöglicht Setup aller Druckparameter wie Infill-Lagenhöhe und -dichte. Für den Post-Prozess ziehst du die Datei einfach per Drag-and-Drop rein, und die wird an unsere Maschine angepasst, weil wir einige Features haben – wie den Werkzeugwechsler und Nutzung von Endlosfaser-Filamenten – die nicht sehr common sind.“

„Wir haben wirklich nur eine Restriktion“, sagt Wampl, „und das ist die Länge des gedruckten Filaments. Wir haben eine Mindestlänge von 20 mm. Wenn ein Ingenieur eine bestimmte gedruckte Länge kürzer als 20 mm macht, dann laufen wir in Komplikationen, und der Post-Prozessor sagt dir, dass es nicht möglich ist.“

Erwartete Qualität, geliefert

Der erste Wizard 480+ Kunde war Hochleistungs-Stempelwerkzeug-Hersteller 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 gekämpft, einen 3D-Drucker für den Job zu finden aufgrund der komplexen Geometrie und Materialkombination, einschließlich Endlos-Carbonfaser, Thermoplast-Matrix und wasserlöslichen Supports.“ Die vorherige Version dieses Teils wurde aus CNC-gefrästem Aluminium gefertigt. „Wir druckten das Teil ohne Änderungen an der Form und integrierten auch Gewinde für Einsätze“, merkt Wampl an. „Wir nutzten ein Off-the-Shelf gehackte Carbonfaser-gefülltes PA-Filament für die Außenschale und unser Endlos-Carbonfaser/PA-Filament für das Innere.“

Stepper evaluierte das Teil, bestimmte, es traf die erforderliche Genauigkeit, und bestellte dann unsere erste Maschine, sagt Wampl. „Sie laufen sie seit Juli 2020 ohne Issues und sagen, sie produziert immer noch Teile mit dieser Genauigkeit.“

Hohe Qualität ist auch ein Feature der as-gedruckten faserverstärkten Composites, wie im Mikrograf im Eröffnungsbild, oben, gezeigt. Mit fünf Lagen APS Tech Solutions‘ 1K Endlos-Carbonfaser-verstärktem PEEK-Filament wurde das Teil geschnitten und direkt nach Druck mikrografiert, ohne weitere Konsolidierung oder Nachbearbeitung. Das Material wurde auch an der FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg, Deutschland) getestet und an der Universität Bayreuth (Bayreuth, Deutschland) mikrografiert. Die Ergebnisse zeigen eine Zugfestigkeit von 1.060 Megapascal und eine Biegefestigkeit von 750 Megapascal. „Dies war jedoch sehr vorläufiges Testen und wir bereiten jetzt standardisierteres Testen vor, während dessen unsere Techniker glauben, wir werden noch höhere Eigenschaften erreichen“, sagt Wampl.

„Unsere Verkäufe, für jetzt, sind hauptsächlich an Universitäten und Firmen wie Stepper, die nicht zufrieden sind mit dem, was am Markt ist“, sagt Wampl. „Es gibt Endlosfaser-3D-Drucker mit guter Technologie, aber die meisten sind in Materialien oder Software restriktiv. Unser Ziel ist, Kunden zu bedienen, die höchste Qualität der Teile sowie Flexibilität brauchen, wie mechanische und Spezial-Engineering-Firmen, sowie die in Materialwissenschaft und Entwicklung arbeiten.“

Das Unternehmen arbeitet weiter an eigenen Neuentwicklungen, wie Anpassung seines Systems für einen Sechs-Achs-Roboterarm und Materialien für Weltraumanwendungen. „Wir glauben, 3D-gedruckte Composites haben eine viel breitere Anwendung als bisher gesehen, aber wir erweitern diese Horizonte und ermöglichen neue Möglichkeiten für industrielle Teile.“