AIM3D ExAM510: Hohe Präzision und Wirtschaftlichkeit mit Spritzgussgranulat

Die ExAM 510 bietet höhere Aufbaugeschwindigkeiten und verbesserte Bauteilgüte. (Bild: AIM3D GmbH)

Der ExAM 510-Drucker bildet eine leistungsgesteigerte Version des bisherigen ExAM 255 ab, die zukünftig beide im Programm der Rostocker sind. Das neue Modell wurde als Prototyp auf der Formnext 2021 ausgestellt. Nach einer Beta-Phase mit Pilot-Verarbeitern soll die ExAM 510, nach Angaben des Herstellers, zur Formnext 2022 serienreif sein.

Der ExAM 255 verfügt über eine automatische Materialförderung und nimmt bis zu einem Liter Material pro Extruder auf. Das entspricht ca. 1,2 kg ABS oder bis zu 4,4 kg Edelstahl. Der Materialbunker kann sogar während des Drucks nachgefüllt werden. (Bild: AIM3D GmbH)

Clemens Lieberwirth
CTO bei AIM3D

„Die Weiterentwicklung unseres patentierten ExAM 255 zum ExAM 510 ist für uns ein Technologiesprung. Man könnte also sagen, wir bieten nun eine schnellere, größere, heißere und genauere CEM-Prozesstechnik für das Additive Manufacturing an.“

Neue Maßstäbe

Der ExAM 510-Drucker ist eine Programmerweiterung der Rostocker. Der innovative Multimaterialdrucker kann bis zu drei Materialien verarbeiten. Dies ermöglicht zwei Baumaterialien und ein Stützmaterial. Das erweiterte Baufeld von 510 x 510 x 400 mm³ erschließt nun eine Vielzahl von Anwendungen. Der Bauraum ist mit bis zu 200º C temperierbar, um die Spannungen im Bauteil zu reduzieren und Hochleistungswerkstoffe zu verarbeiten. Die deutlich gesteigerte Baurate bzw. Aufbaugeschwindigkeit liegt, natürlich in Abhängigkeit vom Werkstoff, bei bis zu 250 cm³/h (bei Verwendung einer 0,4 mm Düse).

Im CEM-Verfahren 3D-gedruckter Kühlmittelverteilerstutzen von Schaeffler aus PPS GF 40 Type Fortron 1140L4 von Celanese auf Spritzgießgranulatbasis. (Bild: AIM3D GmbH)

Hohe Präzision und Bauteilgüte

Die Konzeption der ExAM 510 ermöglicht eine deutlich gesteigerte Präzision der Bauteile. Ziel der Anlage war es, noch mehr aus der patentierten AIM3D-Extrudertechnologie herauszuholen. Diese Extruder-Klasse ermöglicht eine bis zu Faktor 10 höhere Austragsrate als marktgängige Filament-Extruder. Durch den Einsatz von Linearmotoren und einem stabilen Mineralgussbett wird es möglich, auch bei hohen Geschwindigkeiten höchst präzise zu fahren und damit das Potenzial der Technologie zu erschließen.

Pluspunkte Werkstoff und Wirtschaftlichkeit

Der besondere Charme des ExAM 510 erschließt sich auf der Werkstoffseite. AIM3D stattete die Anlage mit einer auf Hochtemperaturkunststoffe spezialisierten beheizbaren Prozesskammer aus. Dies ermöglicht es auch, Hochtemperaturkunststoffe wie PEEK, PEI, PSU, PPS, mit und ohne Faserfüllung, zu verarbeiten. Entsprechende Erfahrungen mit den Extrudern gibt es bereits auf der ExAM 255. Somit kann ein Verarbeiter den Werkstoff PEEK beispielsweise, gefüllt oder ungefüllt mit Fasermaterial, nun auch direkt als Granulat in der Additiven Fertigung verarbeiten. Dies bedeutet einen enormen Kostenvorteil auf der Rohstoffseite. Aber auch das Recycling dieses Materials wird deutlich einfacher und günstiger. Die Erprobung eines Werkstoffes ist nach Aussage des Herstellers in ein bis zwei Arbeitstagen möglich, eine Etablierung binnen fünf bis zehn Arbeitstagen. Am Beispiel von PEEK zeigt sich die hohe Wirtschaftlichkeit am deutlichsten: Liegt der PEEK-Filament-Preis bei ca. 700 Euro/kg auf konventionellen AM-Anlagen, kann die ExAM 510 auf PEEK-Granulat zurückgreifen, wie es auch im klassischen Spritzgießen zum Einsatz kommt. Der Marktpreis von rund 50 Euro/kg für PEEK-Granulat bedeutet nur 7 % der vergleichbaren Werkstoffkosten oder eine Kostenreduzierung um den Faktor 14. Dies eröffnet völlig neue Dimensionen in puncto Wirtschaftlichkeit.

Composite Extrusion Modeling

Das Composite Extrusion Modeling (CEM-Verfahren) kombiniert den bereits weltweit etablierten Metallspritzgießprozess (MIM-Verfahren) mit den Verfahrenstechniken aus der Additiven Fertigung. Dabei orientiert es sich in den Grundzügen sowohl am Fused Deposition Modeling (FDM-Verfahren) als auch am Selective Laser Melting (SLM-Verfahren) und schafft somit eine optimale Verschmelzung der konventionellen Produktion mit der innovativen Additiven Fertigung.

Das Resultat ist ein sehr einfaches Verfahren, welches auf kostengünstigen und breit verfügbaren Spritzgießgranulaten basiert und die Freiheiten der Additiven Fertigung ohne Gussformen bietet. Dabei sinken durch das CEM-Verfahren nicht nur die Materialkosten erheblich, auch die Maschinenkosten können drastisch reduziert werden. Bereits bekannte Problemstellungen der Metallfertigung, wie zum Beispiel die Eigenspannungen, werden im CEM-Verfahren deutlich reduziert.

Das CEM-Finish

Für das Postprocessing bietet AIM3D einen ExSO-Sinterofen an, der Metallteile direkt im Anschluss an den 3D-Druckprozess auf der ExAM-Anlage entbindert und sintert. Auf Knopfdruck laufen beide Prozesse vollautomatisch in einer Anlage ab, um hochdichte Metallteile nach dem CEM-Verfahren (Anm.: CEM = Abkürzung des Maschinenherstellers für Composite Extrusion Modeling) zu fertigen. Durch die schonende und homogene Generierung des metallischen Gefüges im Sinterofen ergeben sich nahezu eigenspannungsfreie Metallteile mit gussähnlichem Gefüge.

Fused Granulate Modeling

Das Fused Granulate Modeling-Verfahren (FGM) basiert grundsätzlich auf den weit verbreiteten thermoplastischen Schmelzschichtverfahren (FDM/FFF) und gehört damit zu den additiven Fertigungsverfahren. Der Druckkopf verarbeitet das Granulat dabei zu einem dünnen Schmelzfaden und trägt diesen auf dem Baufeld auf. Durch die automatische Generierung von Stützmaterial lassen sich auf diese Weise auch komplexere Formen umsetzen, um Sonderproduktion oder Prototypenfertigung in der Spritzgießtechnik nutzen zu können. Im Gegensatz zu den gängigen Schmelzschichtverfahren, wie dem Fused Filament Fabrication (FFF), wird beim FGM kein aufwendig produziertes Filament, sondern gängiges thermoplastisches Spritzgießgranulat aus der Serienfertigung verwendet.

Anwendungsgebiete und Potenziale

Die klassischen Anwendungsgebiete von polymeren Hochleistungswerkstoffen finden sich in Automotive, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrt. Die Pilotkunden von AIM3D sind dort angesiedelt. Clemens Lieberwirth, CTO bei AIM3D, erklärt: „Die Weiterentwicklung unseres patentierten ExAM 255 zum ExAM 510 ist für uns ein Technologiesprung. Man könnte also sagen, wir bieten nun eine schnellere, größere, heißere und genauere CEM-Prozesstechnik für das Additive Manufacturing an.“

Die 3D-Drucker stehen den marktgängigen FDM- und FFF-Druckern in nichts nach und bieten eine kostengünstige Option zu konventionellen 3D-Druckern, da sie ohne sphärische Pulver oder Kunststofffilamente betrieben werden. Der Werkstoff des Prototypen kann also identisch zum finalen Bauteil sein.