Q.Big 3D auf der Formnext: variable Extrusions-Düsen

Die Queen1-Anlage von Q.BIG 3D für XXL-Anwendungen im 3D-Extrusions-Druck.

Dennis Herrmann
Geschäftsführer von Q.BIG 3D

„Im Vergleich zu einem Filament-Drucker sind es die Materialeinstandkosten, mit denen ein 3D-Granulatdrucker punktet. Eine enorme Differenz, die sich massiv in der Teilepreiskalkulation niederschlägt. Entscheidend ist zudem die Aufbauzeit eines 3D-Bauteils. Bei Vergleichsuntersuchungen konnte eine Queen1-Anlage bei gleicher Druckdauer ein hundertfaches Volumen ausdrucken.“

Und es gibt einen kostenrelevanten Vorzug gegenüber alternativen 3D-Druck-Ansätzen: Die Verwendung von marktgängigem Kunststoff-Granulat statt hochpreisiger Polymer-Filamente. Der Clou steckt aber in einer Verfahrensbesonderheit: Dem Einsatz einer variablen Düse (Variable Fusing), die beim Bauteilaufbau zwischen einem Turbo- und einem Detailmodus variieren kann.

Die bisherigen Einschränkungen konventioneller Fertigungsstrategien können mit der VFGF-Anlagentechnik überwunden werden. So fallen bei klassischen formgebundenen Verfahren, insbesondere bei großvolumigen Bauteilen, hohe Werkzeugkosten verbunden mit langen Vorlaufzeiten an. Zudem können klassische FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) meist keine großvolumigen 3D-Bauteile fertigen. Die Aufbauraten sind unwirtschaftlich und das Filament weist oft einen vielfach höheren kg-Preis, im Vergleich zum Granulat, auf.

Die variable Düsenansteuerung ermöglicht gegenüber einem statischen Düsendurchmesser kurze Aufbauraten, weil sie 68 % weniger Verfahrweg, bei 3-facher Schichthöhe erzielt.

Funktionsweise einer variablen Düse beim VFGF-Verfahren

Kernelement des VFGF-Verfahrens ist der Einsatz einer variablen Düse zum Materialeintrag. Dabei steht VF für Variable Fused in Ergänzung zum GF, welches für Granulate Fabrication steht, also 3D-Extrusions-Druck. Was zeichnet nun eine variable Düse aus? Die variable Düse kann mit hohen Materialdurchsätzen im Turbo-Modus schnell drucken, zum Beispiel den In-Fill-Bereichen im Innern der Geometrie, und an anderen Stellen des Bauteils mit niedrigen Materialdurchsätzen im Detailmodus hohe Präzision gewährleisten. Die variable Düse einer Queen1-Anlage von Q.BIG 3D arbeitet mit einer Kombination von 1,5 mm (Detailmodus) und 3 mm (Turbomodus) und trägt das Material schichtweise auf, wie generell 3D-Drucker. Damit wird es möglich, sehr großvolumige Bauteile ohne Werkzeugeinsatz wirtschaftlich herzustellen. Dies bietet eine hohe Auflösung bei kurzer Fertigungszeit – und niedrigen Materialkosten.

Die Verfahrensgeschwindigkeit liegt bei max. 500 mm/s. Die Anlage ermöglicht eine dynamische Ausstoßmenge 0,15 bis 2,0 kg/h. Die variable Düse arbeitet im Detailmodus also filegran. Das kann eine Oberfläche sein, die für High-Gloss-Lackierung akurat sein soll, aber auch zur Aufnahme von Befestigungselementen. Auch Schrägen oder Überhänge, die mit Stützstrukturen unterfüttert werden müssen können Anforderungen des Bauteiles sein. Hinzu kommen Brücken oder dünne Dome. Der Turbomodus hingegen ermöglicht rasche Aufbauzeiten, wie er für sehr große Bauteile, im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit einer additiven Fertigungsstrategie notwendig ist, um mit klassischen Verfahren, wie dem Spritzgießen von Granulaten konkurrieren zu können. Der Turbomodus wird für In-Fill-Bereiche gewählt oder für Verstrebungen auf der Rückseite von Bauteilen in nicht sichtbaren Bereichen. Bei der Konstruktion wird die Druckanweisung an die Queen1-Anlage definiert in Bereichen des Bauteils für den Detail- bzw. den Turbodruck und durch Simulationen abgesichert. Dem Konstrukteur eröffnen sich somit auch bionische Strategien oder ressourcensparende Materialeinsparungen im Rahmen des Leichtbaus.

VFGF-Extrusions-Druckkopf mit variablem Düsendurchmesser ermöglicht gezielten Bauteilaufbau.

Beschleuniger des Industrie 4.0-Ansatzes

Die werkzeuglose Fertigung mit einem industriellen 3D-Extrusions-Drucker im Großformat eröffnet Anwendern zeitnahe Time-to-Market-Strategien. Der Entfall der Werkzeugkosten und neue Strategien der Bauteil-Geometrie in der Konstruktion treffen auf extrem kurze Amortisationszeit der Anlagentechnik. Der besondere Clou gegenüber alternativen AM-Strategien, wie FDM-Druckanlagen, ist der Einsatz von handelsüblichen Granulaten ohne Filamente. Dabei ist das Spektrum der Anwendungen gewaltig und selbst sehr große Bauteile und Baugruppen werden heute wirtschaftlich gedruckt. Dennis Herrmann, Geschäftsführer von Q.BIG 3D: „Wir produzieren Zukunft. Die 3D-Material-Extrusion mit dem VFGF-Verfahren verschiebt die Grenzen des Machbaren und ermöglicht ein ganz neues Niveau der Wirtschaftlichkeit und Amortisation. Im großformatigen 3D-Druck sehe ich enorme Potenziale für die Produktentwicklung. Dies betrifft auch Leichtbau, Bionik und Ressourcenschonung. Vor allem aber ist das VFGF-Verfahren ein Beschleuniger des Industrie 4.0-Ansatzes.“

Helikopter-Cockpit-Conversion Kit als modularer Aufbau mit hoher Oberflächengüte und hoher Maßhaltigkeit.

Beispiel Caravanbau – komplex und dünnwandig

Für ein komplexes und dünnwandiges Funktionsmuster im Caravanbau (0,4 mm Tiefe) wurde auf der Queen1 ein Polyamid GF25 eingesetzt. Das Material wurde wegen der Flammhemmung und seriennahen Materialeigenschaften ausgewählt. Das Bauteil wiegt 31 kg (inklusive Supportstrukturen). Die Druckdauer des akkuraten Bauteils mit feiner Oberfläche beträgt 128 h. Für den Kunden war die kurze Vorlaufzeit und der Entfall von Werkzeugkosten entscheidend für die Wahl der VFGF-Fertigungsstrategie.

Heckleuchtenträger als Funktionsmuster im Caravanbau: komplex und dünnwandig.

Beispiel Montage- und Messvorrichtung in Automotive – präzise und maßhaltig

Montage- und Messvorrichtungen bilden aufgrund der geringen Losgrößen wichtige Anwendungen für den 3D-Druck. Das Beispiel einer Messaufnahmeeinrichtung in Automotive wurde aus PLA mit Farbpigmenten in 24 h gedruckt. Das Gewicht beträgt 4,5 kg und die Oberfläche misst 0,4 mm. Im Vordergrund der Konstruktion stand eine akurate Lagetoleranz von < 0,2 mm. Für den Kunden konnte eine Reduzierung der Verfügbarkeit der Messaufnahme von 7 auf 2 Wochen realisiert werden und, on top, ein bionisches Design.

Das Beispiel einer Messaufnahmeeinrichtung in Automotive wurde aus PLA mit Farbpigmenten in 24 h gedruckt.

Beispiel Rohrkrümmer für ein Wasserkraftwerk – voluminös und funktional

Beim Rohkrümmer handelt es sich um ein 205 kg schweres Bauteil, welches akurat und dicht mit Rohren verbunden werden muss, dabei aber auch hohen Druckbelastungen im Einsatz gerecht werden muss. Als Material entschied man sich für PLA. Die Oberfläche des Bauteils variiert zwischen 0,4 mm und 1,2 mm. Aufgrund des Volumens lag die Druckdauer bei 340 h. Relevante Kriterien für den Anwender waren die kurzfristige Verfügbarkeit (4 Wochen statt 16 Wochen, eine signifikante Verkürzung der Entwicklungszeit und vor allem eine 50 prozentige Kostenersparnis gegenüber einem konventionellen Verfahren.

Beispiel Helikopter-Simulations-Cockpit – sehr groß und spaltmaßoptimiert

Ein Beispiel für den Großformat-3D-Druck ist das 3D-Cockpit für einen Helikopter-Simulator additiv gefertigt auf einer Queen1-Anlage von Q.BIG 3D bei Murtfeldt Additive Solution. Die Abmessungen des Cockpits betragen 2.260 mm (x), 1.780 mm (y) und 1.705 mm (z). Das Gewicht liegt bei nur 200 kg, weil der 3D-Druck mit Turbo- und Detailmodus der variablen Düse einen ressourcenschonenden Leichtbau ermöglicht.

Q.BIG 3D auf der Formnext: Halle 11.1, Stand E19