Materialextrusion Wie Leichtbau die Produktivität und Bauteilqualität bei AM-Anlagen erhöht

Autor / Redakteur: Andreas Hofmann und Johann Schorzmann* / Stefan Guggenberger

Leichtbau ist im Kontext der additiven Fertigung von Bauteilen nichts wirklich Neues. Leichtbau in additiven Fertigungsmaschinen, um die Maschinenproduktivität und gleichzeitig die Bauteilqualität zu verbessern jedoch schon.

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Leichtbau zahlt sich nicht nur bei 3D-gedruckten Teilen aus, sondern auch bei den additiven Fertigungsanlagen. Mit einem Leichtbauextruder kann unter anderem die Oberflächenrauigkeit um 16 Prozent verbessert werden.
Leichtbau zahlt sich nicht nur bei 3D-gedruckten Teilen aus, sondern auch bei den additiven Fertigungsanlagen. Mit einem Leichtbauextruder kann unter anderem die Oberflächenrauigkeit um 16 Prozent verbessert werden.
(Bild: gemeinfrei // Unsplash)

In der Entwicklung von Fertigungsmaschinen ist die Entstehung von Schwingungen auf Grund von bewegten Komponenten ein bekanntes Problem. Insbesondere bei abrupten Änderungen der Bewegungsrichtung der bewegten Komponenten können auf Grund deren Trägheit Schwingungen der gesamten Maschine entstehen. Dieses Phänomen lässt sich bei der Materialextrusion ebenfalls beobachten. Häufig wird dadurch die Bauteilqualität gemindert, weil sich starke Schwingungen der Maschine, insbesondere über den Extruder auf die Bauteile übertragen. Die Schwingungen lassen sich reduzieren und dementsprechend die Bauteilqualität erhöhen, wenn die bewegte Masse des Extruders verringert wird.

Hier setzt das im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) vom BMWi geförderten Forschungsprojekt ‚Lightweight Efficiency in Additive Manufacturing‘ (LEiA) an. Gemeinsam entwickelten die Projektpartner unter Leitung des Lehrstuhls Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth einen Leichtbauextruder. Durch die Anwendung dieses Leichtbauextruders in einer additiven Fertigungsmaschine können funktions- und leichtbauoptimierte Bauteile mit hoher Produktivität und Bauteilqualität gefertigt werden.

Leichtbauextruder verbessert die Bauteilqualität

Abbildung 1: Entwickelter Leichtbauextruder bei der Fertigung eines Referenzbauteils.
Abbildung 1: Entwickelter Leichtbauextruder bei der Fertigung eines Referenzbauteils.
(Bild: Universität Bayreuth)

Die Leichtbauoptimierung des Extruders basiert dabei auf zwei Ansätzen: Reduzierung der Masse durch Strukturoptimierung und Materialsubstitution ausgewählter Extruderkomponenten. Hierbei konnte der Schrittmotor zur Filamentförderung in Folge der Integration einer Übersetzung durch einen Schrittmotor mit geringerem Drehmoment und geringerer Masse ersetzt werden. Für weniger masseintensive Komponenten des Leichtbauextruders wurden Normbauteile verwendet. Ins-gesamt konnte die Masse des Leichtbauextruders inklusive Schrittmotor um 35 Prozent gegenüber einem vergleichbaren Referenzextruder reduziert werden (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 2 : Beispielhafte Darstellung der Position (links) und Auswertung (rechts) der Profillinie.
Abbildung 2 : Beispielhafte Darstellung der Position (links) und Auswertung (rechts) der Profillinie.
(Bild: Universität Bayreuth)

Um die Auswirkungen der Reduzierung der Masse des Leichtbauextruders auf die Bauteilqualität bewerten zu können, wurde eine Methode entwickelt, das Überschwingen des Extruders bei abrupter Richtungsänderung zu bewerten. Das Verhalten des Leichtbauextruders bei einer Änderung der Bewegungsrichtung um 90° wird im Rahmen der Methode anhand eines würfelförmigen Probekörpers analysiert. Durch die Auswertung des Verlaufs der Profillinie innerhalb einer Bauteilschicht mittels optischem Profilometer kann das Ausmaß des Überschwingens an den Kanten des würfelförmigen Probekörpers visualisiert werden (vgl. Abbildung 2). Die maximale Abweichung konnte durch die Reduzierung der Masse des Leichtbauextruders in x- und y- Richtung durchschnittlich von 0,12 mm auf 0,08 mm – also um 33 Prozent – reduziert werden.

Untersuchung zeigt Verbesserungen bei Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität

Weiterhin wurde die Auswirkung der Reduzierung der Masse des Extruders auf die Form- und Maßhaltigkeit sowie die Oberflächenqualität untersucht. Für die Analyse dieser Qualitätsmerkmale wurde ein Referenzbauteil entwickelt, das verschiedene auf diesen Anwendungsfall abgestimmte Geometriefeatures enthält (vgl. Abbildung 3).

Für die Bewertung des Einflusses auf die Form- und Maßhaltigkeit wurde das Referenzbauteil nach der Fertigung anhand von sechs Profilschnitten untersucht. Für jeden Profilschnitt wurde mittels eines 3D-Scanners die durchschnittliche Abweichung ermittelt und mit einem Referenzextruder verglichen (vgl. Abbildung 4). Im Mittel konnte die durchschnittliche Abweichung über die sechs Profillinien von 0,09 mm auf 0,08 mm um 11 Prozent reduziert werden – im Maximum wurde die durchschnittliche Abweichung innerhalb einer Profillinie von 0,15 mm auf 0,08 mm um 53 Prozent reduziert. Außerdem wurde eine Reduzierung der Oberflächenrauigkeit Sa von 20,64 µm auf 17,44 µm um 16 Prozent erzielt.

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Leichtbauextruder soll für gängige Anlagen nachrüstbar werden

Im FuE-Projekt LEiA konnte die Qualität mittels Materialextrusion gefertigter Bauteile somit deutlich gesteigert werden. Weiterhin kann durch die geringere bewegte Masse die Bewegungsgeschwindigkeit des Extruders im Fertigungsprozess gesteigert und somit die Maschinenproduktivität bei gleichbleibender Bauteilqualität im Vergleich zu bestehenden Extrudern verbessert werden.

Aktuell wird der Leichtbauextruder zu einer Nachrüstlösung technologisch weiterentwickelt, die flexibel in bestehende additive Fertigungsmaschinen der Materialextrusion eingebaut werden kann und einem breiten Anwenderspektrum zur Verfügung stehen soll. Weiterhin werden weitere Werkstoffe qualifiziert und die Markteinführung vorbereitet. Für diese Weiterentwicklungen und die spätere Vermarktung sucht die Universität Bayreuth Partnerunternehmen, die ihre Expertise in einer Zusammenarbeit einbringen möchten und an einer kommerziellen Platzierung des Leichtbauextruders am Markt interessiert sind.

* Andreas Hofmann und Johann Schorzmann arbeiten am Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth

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