Cincinnati Inc. demonstriert großskaligen 3D-Druck mit Recycling-Composites mittels BAAM-Technologie

Cincinnati Inc. (CI, Harrison, Ohio, USA) gab bekannt, dass es seine Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Maschine eingesetzt hat, um zu demonstrieren, dass Recyclingmaterialien für 3D-Druck genutzt werden können, indem es nach eigenen Angaben eines der größten monolithischen Mehrmaterial-Objekte bislang produzierte. Die Demonstration bewies erfolgreich, dass großskaliger Mehrmaterialdruck effektiv und wirtschaftlich mit Recycling-Composite-Materialien machbar ist.

Technische Umsetzung

Der großskalige Mehrmaterialdruck wurde durch Modifikationen an der BAAM und ein neues Extruder-Design mit Dual-Feed-System erreicht. Seit mehreren Jahren kooperiert CI mit dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Knoxville, Tennessee, USA) des US-Energieministeriums (DOE) zur kontinuierlichen Verbesserung und Entwicklung der BAAM. Die initiale Forschung fokussierte auf großskaligen Druck eintmaterialiger Systeme, typischerweise kurzfaserverstärkte Polymere.

„Ziel dieser Studie war, den Druck eines Mehrmaterial-Composite-Werkzeugs einschließlich Übergänge, über 10 Fuß Länge, mit Recyclingmaterial und ohne manuellen Eingriff zu demonstrieren“, sagt Alex Riestenberg, CI's Additive Manufacturing Produktmanager.

Das Demonstrationsbauteil war eine einzelne Facette eines Betonfertigteilwerkzeugs für kommerzielle Fensterpaneele eines Hochhausprojekts in New York City. Die Form wog ca. 400 lbs (181 kg), war 10 Fuß 10 Zoll (3,3 m) lang. Druckdauer ca. 7 Stunden.

Vorteile des Mehrmaterialdrucks

„Studien zeigen, dass durch Verwendung mehrerer Materialien in einer Struktur neue mechanische Reaktionen und Multifunktionalität erzielt werden können – wie Leichtbaustrukturen mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften, weiche und harte Segmente in einem Bauteil und schlagfeste Strukturen“, sagt ORNL-Materialwissenschaftlerin Vidya Kishore.

Die beiden verwendeten Materialien waren eine Mischung aus 100 % recyceltem CF/ABS und Standard-CF/ABS sowie ABS-Syntactic-Schaum.

Neben ökologischen Vorteilen nennt CI Vorteile der Mehrmaterialextrusion: Einbindung leitfähiger Schaltkreise für smarte Strukturen, Leichtbau-Kernstrukturen, geringere Werkzeugkosten, einfachere Entfernung von Stützmaterial, lokale Verstärkung spezifischer Bereiche, Einsatz unterschiedlicher Materialien in verschiedenen Bauteilbereichen und sogar Farbwechsel im Bauteil.

Kerntechnologie: BAAM-Mehrmaterialsystem

Der Schlüssel zum Erreichen der Ziele war das BAAM-Mehrmaterialsystem, entwickelt mit ORNL. Das große Dual-Material-Thermoplast-Extrusionssystem ermöglicht angeblich den Druck mit mehreren verschiedenen Materialien in einem einzigen Bauvorgang mit nur einem Extruder.

„Die Materialzufuhr in den Extruder wird on-the-fly zu bestimmten Zeitpunkten während des Drucks umgeschaltet, indem zwei Materialanschlüsse hin und her über die Zufuhr zum Extruder geschoben werden“, erklärt Riestenberg. „Das System umfasst auch einen Materialmischer außerhalb des Maschinenrahmens, der spezifische Mengen verschiedener Materialien und Füllstoffe on-the-fly für kundenspezifische Materialgüten mischen kann.“

Die Kombination aus Materialzufuhr-Umschaltung und Mischer gibt Nutzern die Möglichkeit, in einem einzigen Bauvorgang mit mehreren verschiedenen Materialtypen und -kombinationen zu drucken, statt nur zwei.

„Die BAAM mit Mehrmaterialsystem-Upgrade ist derzeit die einzige Maschine, die dies kann, und hebt uns von Wettbewerbern ab“, sagt Riestenberg. „Mit der wissenschaftlichen Forschungsunterstützung von DOE's Advanced Manufacturing Office und ORNL konnten wir diesen Fertigungsmeilenstein erreichen.“