Schnell und wirtschaftlich mit Granulat 3D-drucken

Der neue ExAM 510, der erstmals als Prototyp auf der Formnext 2021 zu sehen sein wird, kann Kunststoff, Metall und Keramik schnell und mit hoher Bauteilgüte verarbeiten. Foto: AIM3D

Premiere auf der Formnext: Neuer Multimaterial-3D-Granulat-Drucker kann auch Hochleistungskunststoffe wie PEEK schnell und wirtschaftlich verarbeiten.

Der neue 3D-Granulat-Drucker, den AIM 3D auf der Formnext 2021 als Prototyp zeigen wird, arbeitet schneller, präziser und wirtschaftlicher als konventionelle 3D-Extrusionsdrucker. Möglich macht dies das CEM-Druckverfahren. Das Composite Extrusion Modeling - CEM - kombiniert den weltweit etablierten Metallspritzgießprozess (MIM-Verfahren) mit den Verfahrenstechniken aus der Additiven Fertigung und erlaubt dadurch die Verarbeitung von Kunststoff - darunter Hochleistungskunststoffe wie PEEK und PPS mit und ohne Faserfüllung - aber auch von Metall und Keramik.

Der neue Ex AM 510-Drucker, der zur Formnext 2022 serienreif sein soll, ist eine leistungsgesteigerte Weiterentwicklung der kleineren Ex AM 255 und erweitert das Programm der Rostocker. Der innovative Multimaterialdrucker kann bis zu drei Materialien verarbeiten – also 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 200ºC 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).

Schneller 3D-Drucker mit hoher Präzision und Bauteilgüte

Die Konzeption der Ex AM 510 ermöglicht eine deutlich gesteigerte Präzision der Bauteile. Ziel der Anlage war es, noch mehr aus der patentierten AIM 3D-Extrudertechnologie herauszuholen. Wie AIM 3D erklärt, ermöglichen diese Extruder 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 Potential der Technologie zu erschließen.

Pluspunkte Werkstoff und Wirtschaftlichkeit

Dieser Kühlmittelverteilerstutzen von Schaeffler wurde im CEM Verfahren aus PPS GF 40 auf Spritzgießgranulatbasis 3D-gedruckt. Foto: Schaeffler

Der besondere Charme des Ex AM 510 erschließt sich auf der Werkstoffseite. Die Anlage stattete AIM 3D 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 Ex AM 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, so AIM 3D.

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 und zehn Arbeitstagen.

Durch Granulat erheblich geringere Materialkosten

Clemens Lieberwirth, CTO bei AIM 3D: „Die Weiterentwicklung unseres patentierten Ex AM 255 zum Ex AM 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.“ Foto: AIM 3D

Am Beispiel von PEEK zeigt sich die hohe Wirtschaftlichkeit am deutlichsten: Liegt der PEEK-Filament-Preis bei ca. 700 EUR/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 EUR/kg für PEEK-Granulat entspricht nur 7 % der vergleichbaren Werkstoffkosten oder eine Kostenreduzierung um Faktor 14. Dies eröffnet völlig neue Dimensionen in puncto Wirtschaftlichkeit.

Die klassischen Anwendungsgebiete von polymeren Hochleistungswerkstoffen finden sich in Automotive, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrt. Die Pilotkunden von AIM 3D sind dort angesiedelt. Clemens Lieberwirth, CTO bei AIM 3D: „Die Weiterentwicklung unseres patentierten Ex AM 255 zum Ex AM 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.“

Geeignet für verschiedene Kunststoffe, Metalle und Keramiken

Beispiele für Kunststoffe, die sich mit der CEM-Technologie sehr gut verarbeiten lassen, sind PA6 GF 30, PPS GF 40, PEEK oder PEI. Als mögliche Anwendungen nennt AIM 3D die Kühlmitteltechnik, Automotive Anwendungen oder ESD-Gehäuse.

Metallseitig kann die CEM-Technologie von AIM 3D Edelstähle, Kupfer, Werkzeugstähle, Wolfram und Wolfram Carbid verarbeiten; denkbare Einsatzbereiche sind insbesondere Fixturen, Induktoren, Tiefziehwerkzeuge, Kollimatoren und innengekühlte Werkzeuge. Bei den Keramiken nennt AIM 3D Aluminium Oxid, Zirkon Oxid, Silizium Carbid und Silizium Nitrid für die Einsatzbereiche chemische Prozesstechnik, Hochspannungs-Isolatoren und thermisch beanspruchte Bauteile.

Composite Extrusion Modeling

Das Composite Extrusion Modeling (CEM-Verfahren) kombiniert den 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, das 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.

gk

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