9 Gründe dafür, warum ein industrieller 3D-Drucker über austauschbare Druckmodule verfügen soll

9 Gründe dafür, warum ein industrieller 3D-Drucker über austauschbare Druckmodule verfügen soll

Modulare Bauweise der Industriemaschinen

Die in verschiedenen Industriezweigen tätigen Hersteller von Gebrauchtmaschinen sind seit mehreren Jahren auf die modularen Maschinen fokussiert. Dem Benutzer wird eine Maschine in Grundkonfiguration zur Verfügung gestellt, die je nach Applikation und Bedürfnissen des Kunden um weitere Module bzw. für den jeweiligen Betrieb geeignete Spezialwerkzeuge erweitert werden kann. Als Beispiel dafür gilt hier die Wahl des geeigneten für die CNC-Maschine verwendeten Werkzeugs, was die optimale Nutzung der Maschine sowie Anpassung an die jeweiligen Einsatzbereiche ermöglicht. Auf ähnlichen Annahmen basiert die modulare Bauweise der 3D-Drucker.

Die modularen Lösungen werden von Maschinenherstellern immer häufiger eingesetzt, weil sie sehr praktisch sind und sie fügen auch gut ins Konzept Industrie 4.0 ein. Für den Benutzer bedeutet dies eine Garantie für Flexibilität und Anpassung der Maschine an sich ständig wechselnden Erwartungen und verschiedenen Anwendungen. Mögliche Erweiterung des Gerätes während seines gesamten Lebenszyklus sowie schnelle Montage von anderen Zubehörteilen wie Spezialwerkzeuge bzw. -module werden als Wertschöpfung jeder Industriemaschine angesehen.

Industrieller 3D-Drucker mit modularer Bauweise

Die Produktionsunternehmen statten ihre Maschinenparks weltweit immer häufiger mit industriellen 3D-Druckern aus. Sie finden praktisch in jeder Branche Anwendung. In der Eisenbahnindustrie werden die Innenraumelemente in der 3D-Drucktechnologie produziert, Flugzeughersteller ersetzen die bisher verwendeten Metallteile durch leichtere und gleichzeitig gegen viele äußere Einflüsse beständige Komponenten und die Automobilindustrie erstellt zahlreiche Prototypen viel schneller und nutzt dabei die in additiven Fertigungsverfahren hergestellten Produktionsanlagen. Das Angebot von auf dem Markt verfügbaren technischen und hochbeständigen Materialien ist sehr umfassend, wird ständig weiter entwickelt und der Einsatz von diesen Materialien sowie der 3D-Druck im Industriebereich bieten in allen Industriebranchen viele neue Möglichkeiten. Was wichtig ist, wollen Ingenieure in vielen Abteilungen, darunter auch in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen, mit all diesen verfügbaren technischen Materialien unter Einsatz nur eines 3D-Druckers arbeiten. Leider ist das nicht immer möglich, weil die Anlagen für die additiven Fertigungsverfahren verschiedene Einschränkungen aufweisen, die ihren Betrieb mindern, wobei diese Einschränkungen oft auf verfügbare Materialien zurückzuführen sind.

Welche Merkmale sollte ein 3D-Drucker haben, um Teile sowohl aus Hochtemperatur-Materialien wie PEEK, ULTEM oder PC als auch aus mit Fasern verstärkten Materialien bzw. elastischen Filamenten herstellen zu können? Erfahren Sie mehr, warum ein 3D-Drucker für industrielle Anwendungen mit einem modularen System ausgestattet werden soll.

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3DGence INDUSTRY F420 standing industrial 3D printer at the production site
3DGence INDUSTRY F420 ist ein 3D-Industrie-Drucker zum Drucken von hochbeständigen Polymeren wie ULTEM™, PEEK bzw. PEKK.
3D printing engineer is replacing a M280 module, an interchangeable accesory for industrial 3D printer 3DGence INDUSTRY F420 capable of 3D printing with PLA, ABS, ASA, PA6
Schnelle Installation eines M280 für 3DGence INDUSTRY F420

Warum sollte der industrielle 3D-Drucker mit dem modularen System ausgestattet sein?

Was sind die Must-have-Funktionen für einen 3D-Drucker, der Teile aus Hochtemperaturmaterialien wie PEEK, ULTEM oder PC bis hin zu verstärkten oder flexiblen Filamenten herstellen kann? Erfahren Sie mehr darüber, warum der industrielle 3D-Drucker über ein modulares System verfügen sollte.

1. Warum können die meisten 3D-Drucker nicht aus verschiedenen Materialgruppen drucken?

Auf dem Markt sind heutzutage ziemlich viele 3D-Drucker erhältlich, die nur mit wenigen Filamenten kompatibel sind, was bedeutet, dass das Unternehmen über einige verschiedene Anlagen verfügen muss. Jede Anlage wird dann für den jeweiligen Einsatzbereich verwendet. Das heißt höhere Anschaffungskosten und unwirtschaftliche Nutzung von Ressourcen der Kunden. Wie sieht es in der Praxis aus?

piramida

Um einen Teil aus ABS, d.h. einem Material mit geringer Extrusionstemperatur aus der Gruppe der im 3D-Druckbereich verwendeten Basispolymeren, zu drucken (sog. Commodity), muss der Kunde eine Anlage kaufen. Um Teile aus z.B. mit Kohlenstofffasern verstärkten Materialien wie PA-CF oder PC-CF zu produzieren, ist der Erwerb eines anderen 3D-Druckers notwendig, der häufig viel teurer ist. Wenn wir hingegen Modelle aus High-Performance-Materialien mit hohen mechanischen Eigenschaften produzieren möchten, die temperatur- und chemikalienbeständig sein sollen, müssen wir unseren Maschinenpark um eine weitere 3D-Druckmaschine erweitern. Auf dem Markt gibt es nur wenige Anlagen, die für den Betrieb unter Verwendung von solchen Filamenten wie PEEK, PEKK oder ULTEM aufgrund der spezifischen Anforderungen im Bereich der Temperatur und Druckbedingungen geeignet sind.

Der 3D-Druckprozess muss mit dem jeweiligen Material kompatibel sein und einer der Grundparameter des 3D-Druckes ist die Extrusionstemperatur des Materials, die mit den technischen Materialparametern wie Glasübergangstemperatur oder Erweichungstemperatur unmittelbar zusammenhängt. Zum Beispiel braucht PEEK für Beginn der Extrusion in der 3D-Drucktechnologie die Erhitzung des Druckkopfes bis 360–400°C, ABS wird dagegen bei nur 230–260°C extrudiert. Jeder 3D-Drucker in Standardausführung wird das Problem mit der Förderung von so verschiedenen Materialien an einem Druckkopf haben.

Durch die modulare Bauweise reicht nur ein Gerät aus, mit dem aus verschiedenen Materialgruppen gearbeitet werden kann, wobei hochwertige Modelle erzielt werden können. Auch wenn das Gerät größtenteils zum Druck von Grundmaterialien wie ABS oder PLA eingesetzt wird, kann möglicherweise Bedarf bestehen, Teile aus beständigeren Materialien wie z.B. PEEK bzw. mit Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkten Materialien zu drucken. Bei Druckern mit modularer Bauweise kann auf ein zusätzliches Gerät verzichtet werden – Ausreichend ist dabei die Anschaffung eines Druckmoduls, das für den Druck aus dem jeweiligen Material geeignet ist. Die Anschaffungskosten eines Moduls sind in diesem Fall oft mehrfach niedriger als Kauf eines weiteren 3D-Druckers.

2. Warum können nicht verschiedene Materialgruppen an einem Druckkopf gedruckt werden?

Durch jedes Ersetzen des extrudierten Materials durch Material mit anderen Eigenschaften kann zur Verstopfung der Düse kommen. Wenn der Druckvorgang unter Einsatz von PEEK erfolgte und gleich danach wird versucht aus PLA zu drucken, dessen Extrusionstemperatur wesentlich niedriger ist, verhindern die in der Düse befindlichen PEEK-Materialreste den Extrusionsvorgang. Wenn aber das Material mit niedriger Extrusionstemperatur bei höheren Temperaturen gedruckt wird, führt dies zu seiner Beschädigung und somit zur erheblichen Einschränkung bzw. zum Verlust seiner mechanischen Eigenschaften und Beständigkeit gegen äußere Einflüsse. Eine große Bequemlichkeit für den Benutzer ist die Anschaffung eines mit Modulsystem ausgestatteten 3D-Druckers, was dieses Problem löst.

Austauschbare Druckmodule – Beschreibung, Vorteile

Das austauschbare Modulsystem erlaubt die Verwendung eines breiten Spektrums von Materialien an nur einem Gerät. Von Grundmaterialien, die in der Industrie für schnelles Prototyping weit verbreitet sind, über typische technische Materialien bis hin zu fortgeschrittenen Materialien für spezielle Anwendungen. Wie funktioniert es in der Praxis? 

Modulares System in der Praxis

Die Bauweise jedes Moduls ist an die jeweilige Materialgruppe und deren Charakteristik für die maximale Optimierung des Druckprozesses angepasst. Um die beste Druckqualität sowie Details zu erhalten, die sich durch die erforderliche Beständigkeit und Festigkeit auszeichnen, muss der Druckprozess mit dem jeweiligen Material kompatibel sein.

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Um die Funktionsweise des Modulsystems besser zu visualisieren, betrachten wir den 3D-Drucker als Maschine und das Modul als Werkzeug. Je mehr verfügbare Werkzeuge wir haben, desto mehr funktionsfähig ist unsere Maschine, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt verwenden wir nur dieses Werkzeug, das die zu erwartenden Ergebnisse erzielt. Genauso ist es mit 3D-Druckern. Jedes Modul ist ein Werkzeug, das ermöglicht, mit verschiedenen Filament-Gruppen zu arbeiten, die sich oft durch Plastifiziertemperatur extrem voneinander unterschieden.
Łukasz Lipiec, Technical Applications Engineer

9 Vorteile der austauschbaren Druckmodule bei industriellen 3DGence INDUSTRY Druckern.

1. Zeitersparnisse

Ein schneller Modulaustausch je nach gewähltem Material, aus dem gedruckt wird.

2. Mögliche Erweiterung des 3D-Druckers während der Betriebsdauer

Bei Bedarf können neue Materialien aus anderen Gruppen in die Produktionsprozesse eingebunden werden. Jederzeit kann der Drucker um andere Module erweitert werden.

3. Billigere Alternative als Kauf einiger 3D-Drucker

Um aus verschiedenen Materialien zu drucken, reicht nur das Modul auszutauschen und dabei braucht man kein weiteres Gerät zu kaufen. Das ist viel praktischer und rentabler aus wirtschaftlicher Perspektive.

4. Druck-Reproduzierbarkeit

Um die höchste Druckleistung zu erzielen, ist das für die jeweilige Materialgruppe konzipierte Modul zu verwenden. Somit können die reproduzierbaren und maßgerechten gedruckten Bauteile an jedem verfügbaren Modul erzielt werden.

5. Werkzeugfreie Lösung

Beim Modulaustausch braucht man keine zusätzlichen Zubehörteile bzw. Werkzeuge.

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3D-Druckmodul M500 für 3DGence INDUSTRY F420
Three interchangeable modules laid on the table for industrial 3D printer 3DGence INDUSTRY F420
Die Druckmodule M280, M360 und M500 sind austauschbares Zubehör von 3DGence INDUSTRY F420

6. Autokalibrierung

Jedes Modul verfügt über ein integriertes Dehnungsmesssystem, das für die Kalibrierung des Gerätes verantwortlich ist. Durch den Einsatz des automatischen Kalibriersystems werden auch die kleinsten Krümmungen und Abweichungen der Arbeitsplattform von der Waagerechten beim Druckvorgang vom Drucker ausgeglichen. Zusätzlich ist jedes Modul mit EEPROM-Speicher ausgestattet, wo die Kalibrierungswerte für Düsenverschiebungen (sog. Offsets) gespeichert werden – Somit müssen diese Werte nicht zusätzlich gemessen und nach dem Modulaustausch gespeichert werden, wodurch die Arbeit mit dem Gerät schneller erfolgen kann.

7. Druck-Reproduzierbarkeit

Um die höchste Druckleistung zu erzielen, ist das für die jeweilige Materialgruppe konzipierte Modul zu verwenden. Somit können die reproduzierbaren und maßgerechten gedruckten Bauteile an jedem verfügbaren Modul erzielt werden.

8. Druck von Modellen mit komplizierten Geometrien

Jedes Modul ist mit zwei Druckköpfen ausgestattet, was die Modellherstellung aus Modell- und Stützmaterial ermöglicht, das abgebrochen bzw. ausgespült werden kann. Der eingebaute Servomechanismus kann den Drucker zwischen Modellmaterial und Stützmaterial unter 1 Sekunde automatisch umschalten.

9. Fehlendes Warping

Die Module wurden mit einem aktiven Abkühlsystem ausgestattet, was sog. Warping (Zusammenrollen von Rändern der gedruckten Bauteile nach oben, was einen visuellen Fehler darstellt) verhindern soll. Das Warping gilt als negative Erscheinung, die beim Drucken in der FFF-Technologie auftreten kann.

Zusätzlich entwickelt die Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Firma 3DGence ihre Lösungen, was mit der kontinuierlichen Erweiterung der Maschinen sowie der Steigerung deren Funktionsfähigkeit zusammenhängt. Somit kann jeder Kunde seinen 3D-Drucker innerhalb der gesamten Betriebsdauer aktualisieren. Die Entwicklung der Geräte erfolgt sowohl im Bereich der Software als auch des Gerätes und seiner Baugruppen selbst. Ein Jahr nach der Premiere des 3DGence INDUSTRY F340 Druckers entwickelte die Firma ein neues Druckmodul, u.a. aus mit Glasfasern verstärktem Material (PA6-GF30), mit Kohlenstofffasern verstärktem Material (PA-CF) sowie aus einigen Materialien der Commodity-Gruppe zur Beschleunigung des Druckvorgangs. Somit kann jeder Benutzer dieses 3D-Druckers sein Gerät mit zusätzlichen Zubehörteilen zur Erweiterung der Funktionsfähigkeit ausstatten.
Radosław Wróbel, Technical Applications Engineer, 3DGence

Austauschbares Druckmodulsystem am Beispiel der INDUSTRY-Drucker der Fa. 3DGence

3DGence INDUSTRY F420

Die Druckmodule sind austauschbare Elemente für den industriellen 3DGence INDUSTRY F340 Drucker. Vier verschiedene Module sind verfügbar: PRO, HF, HT sowie HTmax, und jedes davon ist für den Druck aus einer anderen Materialgruppe geeignet.

Jedes Modul ist mit zwei Druckköpfen ausgestattet. Der Austausch zwischen den das Modell- und Stützmaterial extrudierenden Köpfen erfolgt unter 1 Sekunde. Die Module wurden auch mit einem Abkühlsystem ausgestattet. Außerdem wurde ein Dehnungsmesssystem integriert, das für die Autokalibriermessungen verantwortlich ist.

Das müssen Sie wissen:

  1. Die Module wurden mit einem Abkühlsystem zur Abkühlung der gedruckten Bauteile sowie mit einem Abkühlsystem zur Abkühlung des Druckkopf-Kaltbereiches sowie einem empfindlichen mechanischen System und einer Modulelektronik mit Extrudern ausgestattet. Diese Lösung sorgt für einen störungsfreien Betrieb der Druckköpfe, weil der Plastifizierbereich des Materials sehr kurz ist, was die Verstopfung des Materials am Druckkopf verhindert.
  2. Das Druckmodul sowie die Extruder werden im sicheren Temperaturbereich erhalten. Jedes Druckende ist mit Abdeckungen ausgestattet, die als zusätzliche Wärmedämmung gelten und das Anhaften des Materials am Druckkopf verhindern.

Drucktemperatur

Bis zu 280°C

Bis zu 360°C

340 – 500°C

Modellmaterialien

 

ABS, ASA, PLA, PA6/69

PC, PEI

PEEK, PEKK

Warum wählen die Kunden 3DGence INDUSTRY F340?

Ein industrieller 3D-Drucker kann eine ergänzende Maschine sein, die traditionelle Herstellungsprozesse unterstützt. Die Auswahl einer geeigneten Maschine, die Ihren Bedürfnissen entspricht, ist keine leichte Aufgabe. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, welcher industrielle 3D-Drucker für Ihr Unternehmen geeignet ist, können Sie sich mit 3D-Druckexperten beraten lassen: [email protected] com

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