Inhaltsverzeichnis
1. Polymere im 3D-Druck
2. Das passende Verfahren des Polymer-3D-Drucks finden
3. 1. Das SLS-Verfahren: hohe Produktivität und Materialflexibilität
4. 2. FDR-Technologie für hochfeine Oberflächen
5. 3. EOS LaserProFusion als Ersatz für Spritzguss
6. Ausblick
7. Technische Daten des Polymer-3D-Druckers
Der Markt für den industriellen 3D-Druck hat in den letzten Jahren signifikant an Dynamik und Professionalität zugelegt. Lange Zeit fand die Technologie vor allem zum Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen Einsatz, wo sie die Produktentwicklung für Unternehmen erheblich beschleunigte. Heute hat die additive Fertigung (additive manufacturing / AM) einen Reifegrad erreicht, der es Kunden ermöglicht, Komponenten und Endteile in Serie herzustellen. Das liegt vor allem an dem robusten und stabilen AM-Bauprozess, der mittlerweile möglich ist. So können Bauteile mit einer sehr hohen Qualität additiv gefertigt werden – und das reproduzierbar und zuverlässig.
Der immer schneller werdende Bauprozess und eine mittlerweile zunehmende Automatisierung von vor- und nachgelagerten Prozessschritten sorgen gleichzeitig dafür, dass die Systeme stetig produktiver und letztlich die Stückkosten geringer werden. Eine Entwicklung, die sich sowohl beim 3D-Druck mit Metall- als auch Polymerwerkstoffen zeigt.
Polymere im 3D-Druck
Heute werden Kunststoffe aufgrund von Eigenschaften wie geringe Kosten, einfache Herstellung, Vielseitigkeit und Wasserundurchlässigkeit, aber auch Recyclierbarkeit, in einer Vielzahl von Produkten verwendet. Als solche haben sie andere Materialien wie Holz, Stein, Metall und Glas verdrängt.
Im Jahr 2016 erreichte die weltweite Produktion von Kunststoffen 335 Millionen Tonnen, wobei allein in Europa 60 Millionen Tonnen produziert wurden. Im Vergleich dazu wurden schätzungsweise nur 2.000 Tonnen Kunststoff über den pulverbettbasierten, industriellen 3D-Druck verarbeitet. Mit anderen Worten: Das Potenzial für diese Produktionstechnologie ist enorm. Dies gilt insbesondere für die Digitalisierung der verarbeitenden Industrie.
Doch gerade für die Serienfertigung muss man differenzieren, denn derzeit etablieren sich unterschiedliche 3D-Drucktechnologien für unterschiedliche Anwendungen. So ist FDM (Fused Deposition Modeling, deutsch: Schmelzschichtung) beispielsweise ein – auf den Drucker selbst bezogen – kostengünstiges aber langsames Fertigungsverfahren für Anwendungen mit üblicherweise niedrigeren Anforderungen an die Bauteileigenschaften. Im Vergleich sind Pulverbettverfahren sowohl bezüglich Bauteilkosten, Geschwindigkeit als auch Reproduzierbarkeit am besten für Serienanwendungen geeignet.
Das passende Verfahren des Polymer-3D-Drucks finden
Das führende Pulverbettverfahren im Polymerbereich ist das Selektive Laser-Sintern (SLS). Diese Technologie wird unter anderem von der EOS GmbH, Krailling, angeboten. Das Unternehmen entwickelt mit Fine Detail Resolution (FDR) sowie LaserProFusion derzeit zwei weitere Polymertechnologien.
1. Das SLS-Verfahren: hohe Produktivität und Materialflexibilität
Beim Selektiven Laser Sintern wird zunächst eine dünne Schicht des Pulverwerkstoffs auf eine Bauplattform aufgetragen. Ein präziser Laserstrahl schmilzt das Pulver exakt an den Stellen auf, die die computergenerierten Konstruktionsdaten vorgeben. Danach senkt sich die Bauplattform ab und es erfolgt ein weiterer Pulverauftrag. Der Werkstoff wird wiederholt aufgeschmolzen und verbindet sich an den definierten Stellen mit der darunterliegenden Schicht.
Die Formiga-Systemfamilie von EOS basiert auf dem SLS-Verfahren. Die Maschinen sind mit einem CO2-Laser ausgestattet, die neueste Lösung ist die Formiga P 110 Velocis. Das kompakte System eignet sich ideal für den Einstieg in den industriellen 3D-Druck – von Rapid-Prototyping-Anwendungen bis hin zur wirtschaftlichen Kleinserienproduktion.
Der 3D-Drucker verfügt über derzeit neun Kunststoffwerkstoffe und zehn Material/Schichtstärken-Kombinationen. Das System eignet sich zur additiven Fertigung von Polymerbauteilen für eine Vielzahl von Branchen – von Lifestyle-Anwendungen wie Brillengestelle, über Ersatzteile im Mobility-Bereich und Gehäuse für Elektrik und Elektronik bis hin zu Greifersystemen für die Industrie.
2. FDR-Technologie für hochfeine Oberflächen
Im November 2019 hat EOS erstmalig die FDR-Technologie (Fine Detail Resolution) für die Verarbeitung von Kunststoffen vorgestellt. Das Unternehmen entwickelt damit als erster Anbieter eine Lösung für den pulverbasierten industriellen 3D-Druck mit einem CO-Laser. Dieser erzeugt einen sehr feinen Strahl, der im Vergleich zu bestehenden SLS-Technologien einen nur halb so großen Fokusdurchmesser ermöglicht. So sind neue Belichtungsparameter und damit hochfeine Oberflächen und filigrane und zugleich stabile Bauteile mit einer minimalen Wandstärke von nur 0,22 Millimeter möglich.
FDR eröffnet neue Anwendungsfelder für die kunststoffbasierte additive Fertigung – so etwa im Bereich von Filtereinheiten und Fluidführungen, Steckern und anderen Elektronikbauteilen oder Konsumgütern wie beispielsweise im Modellbau. Eingesetzt wird im ersten Schritt der zertifizierte Werkstoff PA 1101. Dieser wird in Schichtstärken von 40 und 60 Mikrometer verarbeitet. Aus PA 1101 additive gefertigte Bauteile besitzen eine hohe Schlagzähigkeit und Bruchdehnung. Der Werkstoff wird darüber hinaus aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt.
3. EOS LaserProFusion als Ersatz für Spritzguss
Im Vergleich zur FDR-Technologie ist die sich ebenfalls in Entwicklung findende LaserProFusion-Technologie auf maximale Produktivität bei gleichbleibend hoher Qualitätsorientierung ausgerichtet. Im Gegensatz zu den vorgenannten Lösungen kommen hier bis zu eine Million Diodenlaser mit einer maximalen, kumulierten Laserleistung von über fünf Kilowatt zum Einsatz. Die Belichtungsgeschwindigkeit ist dabei unabhängig von der Bauteilgeometrie und Belichtungsfläche, also Anzahl der Bauteile des Baujobs.
Diese Technologie ist auf die Anforderungen der Serienfertigung ausgerichtet, verkürzt die Produktentwicklung und erhöht das mögliche Produktionsvolumen. Dadurch kann es für viele Anwendungen als echter, werkzeugloser Spritzguss betrachtet werden. Die neue Technologie wird derzeit für die EOS-Polymerproduktionsplattform entwickelt.
Ausblick
Die industrielle Produktion insgesamt durchläuft derzeit einen grundlegenden Wandel. Durch die Digitalisierung ist das Zielbild die ganzheitlich verknüpfte digitale Fabrik. Neben weiteren Technologien, wie zum Beispiel Sensorik, Robotik oder Maschine-zu-Maschine-zu-Mensch-Kommunikation, spielt der industrielle 3D-Druck dabei eine Schlüsselrolle.
Mit weiter steigender Technologievielfalt im 3D-Druck erschließen sich neue Anwendungsfelder für die Serienfertigung, gleichzeitig wird die Wahl der passenden Lösung komplexer. Auch deshalb ist es wichtig, dass Unternehmen sich rechtzeitig mit Technologien beschäftigen, die Disruptionspotenzial haben – sei es um das eigene Geschäftsmodell effektiv zu verteidigen oder um in neue Geschäftsfelder einzusteigen. (eve)
Mehr zum Kunststoff-3D-Druck der EOS GmbH
EOS GmbH
Electro Optical Systems
Robert-Stirling-Ring 1
D-82152 Krailling / München
Tel.: +49 89 893 36–0
E-Mail info@eos.info
Website: www.eos.info
Die Formiga P 110 Velocis von EOS eignet sich ideal als Einsteigersystem zum industriellen 3D-Druck von PolymerbauteilenBild: EOS
Tipp
Technische Daten des Polymer-3D-Druckers
Die Formiga-Systemfamilie von EOS basiert auf dem SLS-Verfahren. Die Maschinen sind mit einem CO2-Laser ausgestattet, die neueste Lösung ist die Formiga P 110 Velocis. Deren technische Daten:
- Bauvolumen: 200 x 250 x 330 Millimeter
- Baufortschritt: bis zu 1,2 Liter pro Stunde
- Lasertyp: CO2, 30 Watt
- Präzisions-Optik: F-Theta-Linse; Hochgeschwindigkeits-Scanner
- Scangeschwindigkeit: bis zu 5 Meter pro Sekunde
- Stromanschluss: 16 Ampère
- Leistungsaufnahme: typisch 3 Kilowatt; maximal 5 Kilowatt
- Abmessungen (B x T x H): 1.320 x 1.067 x 2.204 Millimeter
- Empfohlener Aufstellraum: min. 3,2 x 3,5 x 3,0 Meter
- Gewicht: circa 600 Kilogramm
- Software: EOS ParameterEditor, EOS RP Tools, PSW 3.6
