Neuartiger 3D-Drucker druckt achtmal schneller

Forscher des Fraunhofer IWU haben einen neuen 3D-Drucker entwickelt, der Kunststoffbauteile achtmal schneller und 200-mal günstiger drucken kann. Das soll stabile Bauteile in Großserien ermöglichen. Erstmals wird der neue 3D-Drucker auf der Hannover Messe vorgeführt.

• 3D-Drucker druckt auch große Bauteile
• Fertigungsverfahren ermöglicht hohe Prozessgeschwindigkeiten
• Verschiedenste Kunststoffe können verarbeitet werden

Der 3D-Druck ist in vielen Industrieunternehmen bereits angekommen, jedoch selten in der Produktion – meistens kommt das Verfahren bei Ersatzteilen oder für Prototypen zum Einsatz. Und meistens beschränkt sich der Einsatz auf kleine Einzelteile, denn um ein einzelnes Bauteil zu drucken, benötigt ein Standard-Drucker viel Zeit.

Dieses Versuchsbauteil ist ein Hybrid aus CFK-Blech und 3D-gedruckten Strukturen – mit dem neuen Verfahren ist es erstmals möglich, auf Spritzgieß-Komponenten oder Bleche aufzudrucken. (Bild: Fraunhofer IWU)

Dieses Verfahren ist viel zu langsam, um damit Bauteile in Großserien herzustellen. Ein System des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz ändert dies nun und hebt den 3D-Druck damit auf eine neue Stufe: Für die Fertigung eines 30 Zentimeter hohen Bauteils aus Kunststoff benötigt die Highspeed-Technologie lediglich 18 Minuten. Ein Forscherteam des Fraunhofer IWU hat es für die Additive Fertigung großvolumiger, belastbarer Kunststoffbauteile entwickelt. Werkzeughersteller, die Automobil- und die Luftfahrtbranche können von dem neuartigen 3D-Drucker profitieren, der eine um den Faktor acht gesteigerte Prozessgeschwindigkeit erreicht.

3D-Druck trifft auf Werkzeugmaschine

Das an dem Chemnitzer Institut entwickelte Fertigungsverfahren „Seam“, kurz für „Screw Extrusion Additive Manufacturing“, ermöglicht diesen hohen Durchsatz. Die Prozessgeschwindigkeiten werden möglich, da Seam Werkzeugmaschinentechnologie mit 3D-Druck kombiniert. Zur Verarbeitung des Kunststoffs verwenden die Forscher eine eigens konstruierte Einheit, die das Rohmaterial aufschmilzt und mit einer hohen Austragsleistung ausstößt. Diese Einheit installierten sie über einer Bauplattform, die sich mithilfe des Bewegungssystems einer Werkzeugmaschine auf sechs Achsen schwenken lässt. „Diese Kombination ist bislang einzigartig“, sagt Dr. Martin Kausch, Wissenschaftler am Fraunhofer IWU.

Die ultraschnelle Fertigungsgeschwindigkeit erreicht das Verfahren durch die Kombination von 3D-Druck mit dem Bewegungssystem einer Werkzeugmaschine. (Bild: Fraunhofer IWU)

Auf der Bauplattform wird der heiße Kunststoff in Schichten abgelegt. Das Bewegungssystem der Maschine sorgt dafür, dass die Bauplatte so unter der Düse entlanggleitet, dass die zuvor programmierte Bauteilform erzeugt wird. Der Tisch lässt sich mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s in die X-, Y- sowie Z-Achse bewegen und auch um bis zu 45 Grad kippen. „Damit drucken wir achtmal schneller als herkömmliche Verfahren“, erklärt Kausch. „Herstellungszeiten von Kunststoffbauteilen lassen sich somit enorm reduzieren.“

Preisgünstiges Granulat wird zu belastbaren, metergroßen Bauteilen

Pro Stunde werden bis zu 7 kg Kunststoff durch die heiße Düse mit dem Durchmesser von 1 mm gedrückt. Die vergleichbaren 3D-Druckverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) oder FLM (Fused Filament Modeling) erreichen in der Regel 50 g Kunststoff pro Stunde. Die Besonderheit: Seam verarbeitet statt teurem FLM-Filament rieselfähiges, preisgünstiges Standard-Kunststoffgranulat zu belastbaren, faserverstärkten, mehrere Meter großen Bauteilen. Auf diese Weise lassen sich die Materialkosten um das 200-Fache senken.

Mit Seam können die Forscher komplexe Geometrien ohne Stützstrukturen umsetzen. Der Clou: Mit dem neuen System gelingt es sogar, auf bereits bestehende Spritzgießbauteile aufzudrucken. „Da sich unsere Bauplattform schwenken lässt, sind wir in der Lage, mit einer separat bewegten Z-Achse auf gekrümmte Strukturen aufzudrucken“, sagt Kausch. „In Tests konnten wir verschiedenste Kunststoffe verarbeiten. Dies reicht von thermoplastischen Elastomeren bis hin zu Hochleistungskunststoffen mit 40 Prozent Kohlenstofffaser. Das sind für die Industrie besonders relevante Materialien, die sich mit klassischen 3D-Druckern nicht verarbeiten lassen.“

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