Die Rapid.Tech 3D bringt die Akteure des Additive Manufacturing vom 4. bis 6. Mai 2021 wieder in Erfurt zusammen. Neu ist ein Mix aus Live- und Digital-Event. Erste Aussteller sind bereits angemeldet.

Verfahren für die additive Fertigung

Anlagen für die Additive Fertigung

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, andere

PVC-Additive

Andere Werkstoffe

Werkstoffe für additive Verfahren

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

CAM für die additive Fertigung

Software

Filamente für additive Verfahren

Additive Fertigung

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

Rapid.Tech 3D 2021: Live und digital

Nachhaltigkeit heißt der rote Faden, der sich vom 4. bis 6. Mai 2021 durch alle Foren der Kongressmesse Rapid.Tech 3D ziehen wird. Der Kongress findet erstmals auch digital statt, die Ausstellung ist als Präsenzveranstaltung geplant.

Fachkongress und Messe 2021

Messe Rapid.Tech 3D

form-werkzeug.de

Rapid.Tech 3D: Leitidee Nachhaltigkeit

Der italienische Extruder-Hersteller Bausano hat seine E-GO-Baureihe überarbeitet, mit der sich Polyolefin-Rohre für zahlreiche Anwendungen herstellen lassen.

Extrusion

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Blasfolienextrusion

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Extruder

Extrusionsanlagen

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Kunststoff-Rohre

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Rohr- und Profilextrusion

Extrusionswerkzeuge

Extruder-Folgeeinrichtungen

Extrusions-Zubehör

Kompakte Einschneckenextruder-Baureihe für Rohre

Einen großen Schritt auf dem Weg zur Gründung eines Spin-offs brachte Collin eine thailändische Universität voran mit der Lieferung einer Mikroextrusionsanlage, in der sich Mono- und Multifilamente produzieren lassen. 

Erste Anlage ihrer Art für Thailand 

Faser- und Filamentextrusion

Medizintechnik

kunststoffe.de

Mikroextrusion für medizinische Garne 

Ford setzt bei der Herstellung diverser Montagewerkzeuge auf Desktop-3D-Drucker und kann dadurch die Schablonen mit teilweise komplexem Design sehr günstig und schnell vor Ort produzieren.

Durch additive Fertigung entstehen bei Ford Schablonen oder Lehren für die Fahrzeugproduktion

Automotive

Elektronik

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Gedruckte Hilfsmittel für  die Serienfertigung

Mit geeigneten Coextrusionswerkzeugen und der Option der thermischen Trennung lassen sich auch komplexe Schichtverbunde mit Schmelzetemperaturdifferenzen von mehr als 50 °C sicher und qualitativ hochwertig verarbeiten.

Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen Verarbeitungstemperaturen kombinieren

Temperiergeräte

Gießanlagen

Temperiertechnik

Baugewerbe (Hoch- und Tiefbau)

Medizintechnik (KU)

Kunststoffverarbeitung

Bautechnik, Sanitär

Fahrzeugbau

Zirkularverteilerwerkzeuge

Der Anlagenbau setzt derzeit überwiegend auf die zwei Themenkomplexe Energieeffizienz und Rohstoffersparnis. Das soll nicht heißen, dass die Jagd nach mehr Durchsatz, preiswerteren Anlagen und hoher Produktqualität vorbei ist. Diese Aspekte zählen aber inzwischen scheinbar zur Selbstverständlichkeit. 

Rohr- und Profilextrusion: Nachhaltigkeit der Endlosproduktion 

Generell fordern die Hersteller von Folien aufgrund sinkender Losgrößen und häufiger Material- und Produktwechsel zunehmend mehr Flexibilität von den Produktionsanlagen, die zudem wirtschaftlich bleiben müssen. 

Folienextrusion: Durchsatz steigern – Flexibilität erhöhen 

Mit der konischen Bauweise ist es möglich, auch Materialien mit geringen Schüttdichten wie Folienschnitzel, PET-Flakes und WPC in einem Gleichläufer zu verarbeiten. Die Qualität des Extrudats steigt durch die schonende Plastifizierung und die verbesserte Homogenisierung bei hoher Massedruckstabilität. 

Wiederaufbereitung

Extrudertechnik: Konisch im Gleichlauf 

PET und PA 6 unterliegen bei der Verarbeitung unterschiedlichen Abbaumechanismen. Wesentlich ist der hydrolytische Abbau, weshalb die Rohstofffeuchte konventionell vor der Verarbeitung durch Trocknung beseitigt wird. Eine energie- und zeitsparende Alternative ist die Entfernung der Feuchtigkeit aus der Polymerschmelze mithilfe der sogenannten Schmelzeentgasung auf einem Einschneckenextruder. 

Polyamide

Polyethylenterephthalat

Energieeffizienz: Sparen mit einer Schnecke 

In der Materialaufbereitung haben sich Doppelschneckenextruder mit gleichläufigen kämmenden Schnecken bewährt. Die konische Bauweise bietet ein außergewöhnliches Leistungsspektrum und empfiehlt sich für die Verarbeitung von PET-Mahlgut. 

Extrusion: Konischer Gleichläufer macht Druck 

Die trockene Aufbereitung von Kunststoffen steigert die Reinigungsleistung bei gleichzeitiger Minimierung der benötigten Energiemenge. Ein Gesamtkonzept koppelt die Reinigung und Extrusion und nützt die dabei entstehende Abwärme, wodurch eine Optimierung des Recyclingprozesses erreicht wird. 

Aufbereitungsmaschinen

Aufbereitung: Kompaktanlage als Komplettlösung 

Pharmazeutische Massen direkt und kontinuierlich zu extrudieren, eröffnet neue Möglichkeiten. Doch die Anforderungen an die Anlagentechnik sind speziell und sehr anspruchsvoll. Ein Extruderhersteller hat seine Maschinen den Pharma-Spezifikationen angepasst. 

Hot Melt Extrusion: Maschinen übernehmen Apothekerdienst 

Mit einem neuen und kostengünstigen Verfahren lassen sich dickwandige Hohlprofile aus niederviskosem Standard-PA66 ohne “Sagging”-Problem auf herkömmlichen Extrusionslinien herstellen. Die Viskosität des niederviskosen PA66 kann mittels Reaktivcompoundierung je nach Wunschprodukt beliebig angehoben werden. 

Kunststoff-Aufbereitung

Dickwandige Halbzeuge: Reaktive Aufbereitung vermindert “Sagging”-Effekt 

Entwickelt wurde ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung hochbeanspruchbarer Profile aus Faser-Kunststoff-Verbunden mit thermoplastischer Matrix. Die Thermoplastmatrix ermöglicht, dass die Profile umgeformt und verschweißt werden können. 

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Profil-Armierungs-Ziehen: Basis für die Serienproduktion 

Extruder dank Filamentverarbeitung geeignet für die roboterbasierte additive Fertigung

Ein neuartiger Extruder fördert bei der additiven Fertigung nach dem Strangablegeverfahren das Filament durch eine sich drehende Extruderschnecke, ohne es zu zerkleinern, wodurch sich Aufschmelzleistung, Bauteilgröße und Druckgeschwindigkeit erhöhen.

Die additive Fertigung nach dem Strangablegeverfahren stößt hinsichtlich Ausstoß- und Druckgeschwindigkeit sowie Bauraumgröße schnell an Grenzen. Nachteilig erwies sich bisher das Aufschmelzen des Filaments in der heißen Düse. Ein neuartiger Extruder fördert das Filament durch eine sich drehende Extruderschnecke, ohne es zu zerkleinern. So lassen sich Aufschmelzleistung, Bauteilgröße und Druckgeschwindigkeit erhöhen.

Eines der am weitesten verbreiteten Verfahren in der additiven Fertigung ist das Strangablegeverfahren. Bei diesem Verfahren wird ein thermoplastischer Kunststoffdraht (Filament) durch eine Fördereinheit in eine beheizte Düseneinheit transportiert und dort aufgeschmolzen (Bild 1). Durch die kontinuierliche Förderung wird das bereits aufgeschmolzene Filament als plastischer Schmelzestrang ausgestoßen. Der Schmelzestrang kann durch Bewegung der darunterliegenden Bauplattform in beliebigen Bahnen abgelegt werden. Auf diese Weise entsteht Schicht für Schicht ein additiv gefertigtes Objekt.

Die Druckgeschwindigkeit ist unter anderem durch die Aufschmelzleistung der verbauten Düseneinheit eingeschränkt [2]. Die Vorschubgeschwindigkeiten sind sehr gering, weshalb ein Energieeintrag durch Scherung vernachlässigbar ist. Aus diesem Grund wird die Energie nahezu ausschließlich durch Wärmeleitung eingebracht, was einen entscheidenden Nachteil hat. Der entstehende Schmelzefilm zwischen der Düsenwand und dem noch festen Kunststoff im Inneren des Filaments wirkt wie eine Isolierschicht und verhindert ein effizientes Aufschmelzen des noch festen Filamentkerns [3, 4]. Ohne wesentliche Scherwirkung lässt sich der Schmelzefilm nicht verringern, wodurch die Aufschmelzleistung der beheizten Düseneinheit stark begrenzt ist. Hinzu kommt, dass durch die fehlende Scherung keine Mischwirkung eingebracht wird und sich eine inhomogene Temperaturverteilung im Schmelzestrang ergibt [3].

Um höhere Ausstoßmengen für den Austrag eines Schmelzestrangs zu realisieren, können auch sogenannte Miniextruder eingesetzt werden. Diese bestehen meist aus einer Drei-Zonen-Schnecke und einem Glattrohrzylinder. Solche Extruder verarbeiten Kunststoffgranulat mit einem durchschnittlichen Durchmesser von ca. 3–5 mm. Die Extruder eignen sich jedoch nur bedingt für die roboterbasierte additive Fertigung, da die Förderung im Einzugsbereich immer abhängig von der Granulatsäule im Trichterbereich des Extruders ist. Außerdem können fördersteife Extruder mit einer genuteten Einzugszone nicht beliebig verkleinert werden, da das benötigte Drehmoment der Schnecke zu einem Abscheren des Schneckenkerns im Einzug führen würde, sodass solche Extruder erst ab größeren Ausstoßleistungen (> 10 kg/h) eingesetzt werden.

Schweißextruder verwenden für den lageunabhängigen Einsatz Filamente zur Verarbeitung (Bild 2). Durch einen speziellen Einzugsfördermechanismus wird das Filament in den Extruder transportiert. Das eingezogene Filament wird beim Einziehen gleichzeitig zu Granulatstücken zerkleinert und anschließend meist einer klassischen Drei-Zonen-Schnecke mit Glattrohrzylinder zugeführt, um aufgeschmolzen zu werden. Schweißextruder werden meist im Handbetrieb eingesetzt, weshalb hier auf eine kompakte Bauweise Wert gelegt wird und Antriebe aus dem Werkzeugmaschinenbau verwendet werden, die die Schnecke in Bewegung setzen.

Schweißextruder können eine Ausstoßkapazität von ca. 5 kg/h erreichen. Der Einsatz solcher Schweißextruder wurde bereits für die roboterbasierte additive Fertigung geprüft. Es stellte sich dabei heraus, dass die Ausstoßpräzision zu gering ist, um verlässlich Bauteile herstellen zu können. Das liegt zum einen am Antrieb selbst, aber auch an der fehlenden Ausstoßkonstanz durch die Zerkleinerung des Filaments.

Nach aktuellem Stand der Technik existiert kein Extrudersystem, das eine Ausstoßleistung von 0,5–5 kg/h bei maximaler Aufschmelzeffektivität bietet und einsatzfähig für die roboterbasierte additive Fertigung ist. Das Institut für Kunststofftechnik forscht deshalb an einem neuartigen Extruder, um die additive Fertigung nach dem Strangablegeverfahren zu beschleunigen und auch größere Prototypen drucken zu können.

Der Extruder soll folgenden Anforderungen genügen:

<ul><li>lageunabhängige Verarbeitung eines Filaments,</li><li>Ausstoßleistung von 0,5–5 kg/h,</li><li>maximale Aufschmelzleistung durch eine genutete Plastifizierzone und eine  Barriereschnecke,</li><li>hohe Energieeffizienz,</li><li>konischer Einzugsbereich von Schnecke und Zylinder zum Einzug des Filaments,</li><li>präzise Motorsteuerung,</li><li>Möglichkeit zur Anbindung an einen Roboter.</li></ul>

Entwicklung eines neuartigen Filamentextruders

Das Prinzip des Filamentextruders beruht darauf, dass ein thermoplastisches Filament durch die Drehbewegung einer Extruderschnecke gefördert wird. Dieser Fördermechanismus soll von einer konischen Einzugszone realisiert werden, in der das Filament zwangsgefördert wird. An die Einzugszone schließt sich eine Plastifizierzone an, durch die das Filament aufgeschmolzen und schließlich als plastischer Schmelzestrang ausgestoßen wird.

Vorversuche zeigen, dass das Filament für eine Förderung nach beschriebenem Vorbild nicht seitlich zur Schneckenachse eingezogen werden kann, da sonst ein Umwickeln der Welle stattfindet und eine Förderung behindert wird. Aus diesem Grund muss das Filament entlang der Schneckenachse eingezogen werden. Außerdem muss das Filament die Drehbewegung der Schnecke mitmachen, um ein Verdrehen des Filaments zu verhindern. Diese Anforderungen ergeben für den zu entwickelnden Prototypen, dass sich die Filamentrolle auf der Schneckenachse befindet und ein Hohlwellenmotor zum Einsatz kommt (Bild 3).

Die konische Ausführung der Einzugszone wird gewählt, um durch die axiale Position der Schnecke im Zylinder einen verstellbaren Anpressdruck zu ermöglichen. Der sich ergebende Gesamtaufbau des Filamentextruders zeigt sich in Bild 4. Die Komponenten Schnecke und Zylinder sind jeweils dreiteilig ausgeführt, um kosten- und zeiteffiziente Anpassungen vornehmen zu können. Herzstück dabei ist die konisch ausgeführte Einzugszone.

Im Anschluss an die Einzugszone folgt die Plastifizierzone. Um diese so kompakt wie möglich ausführen zu können, wird die höchste Aufschmelzkapazität bei kleinstem Bauraum benötigt, was sich durch einen genuteten Zylinder in Kombination mit einer Barriereschnecke erreichen lässt. Diese Kombination ist auch unter dem Markennamen Helibar bekannt und hat sich in mehreren Tausend Extrusionseinheiten bewährt sowie im Markt etabliert.

Die Versuche lassen sich in drei Stufen einteilen:

<ul><li>Inbetriebnahme und Funktionalitätsprüfung der Einzugszone ohne Plastifizierzone,</li><li>Inbetriebnahme und Leistungstest des Extruders mit Plastifizierzone,</li><li>Überprüfung der Eignung für die additive Fertigung.</li></ul>

Bei der ersten Stufe wird der Filamentextruder bis auf die Plastifizierzone aufgebaut (Bild 5). Für einheitliche Bedingungen im Einzugsbereich sorgt eine separat angebrachte Wasserkühlung.

Die bereits erwähnte Flexibilität durch den mehrteiligen Aufbau der Schnecke und des Zylinders wird genutzt, um Komponenten in unterschiedlichen Geometrien zu testen. Bei der Einzugszone wird deshalb zum einen ein Zylinder mit glatter Innenoberfläche untersucht. Zum anderen kommt auch ein genuteter Zylinder zum Einsatz, der dem Förderprinzip von Nutbuchsen-Extrudern folgt (Bild 6).

Für die Versuche wurde ein ABS-Filament (Hersteller: Orbi-Tech, Leichlingen) mit einem Durchmesser von 2,85 mm verwendet. Des Weiteren wurden unterschiedliche Anpressdrücke durch die axiale Verstellung der Schnecke getestet sowie die Ausstoßleistung bei Schneckendrehzahlen von bis zu 214 min-1 gemessen.

Entscheidend für die prinzipielle Realisierung des Filamentextruders ist die Förderung des Filaments im Einzugsbereich. Die ersten Versuche zeigen, dass das Filament durch die Drehbewegung der Schnecke gefördert und helixförmig am Ende der Einzugszone ausgestoßen wird (Titelbild).

Weitere Tests zeigen, dass der glatte Zylinder die 5 kg/h auch bei hohem Anpressdruck des Filaments an die Zylinderwand nicht erzielen kann (Bild 7). Der Ausstoß ist in der glatten Variante eindeutig abhängig vom Anpressdruck. Dieser kann allerdings nicht beliebig gesteigert werden, um den Durchsatz zu erhöhen, da sonst die Förderung einbricht. Auch eine Erhöhung der Drehzahl ist nicht zielführend, da der spezifische Durchsatz (Durchsatz pro Schneckenumdrehung) für die nachgeschaltete Plastifizierzone bereits vorgegeben ist.

Der genutete Zylinder verhält sich wie erwartet und erzielt bei unterschiedlichen Anpressdrücken die geforderte Ausstoßleistung. Dabei ist der Durchsatz nahezu unabhängig vom Anpressdruck. Für eine schonende Förderung des Filaments kann deshalb ein sehr geringer Anpressdruck eingestellt werden.

Versuche mit der genuteten Einzugszone bei unterschiedlichen Drehzahlen zeigen, dass die Ausstoßleistung des Filamentextruders linear abhängig von der Schneckendrehzahl ist (Bild 8, grüne Punkte). Das ist eine wichtige Eigenschaft des Extruders, da sich dadurch die gewünschte Ausstoßleistung während der additiven Fertigung leicht einstellen und präzise vorhersagen lässt. Dauertests bis 18 min decken allerdings auf, dass die Verdrehung des Filaments auf der Filamentrolle genauer untersucht werden muss, da sie den Prozess unterbrechen kann. Abhilfe kann eine ohnehin geplante Entkoppelung der Drehbewegung der Filamentrolle zur Drehbewegung der Schnecke schaffen.

Aufgrund der erfolgreichen Versuche mit der Einzugszone konnten weitere Versuche mit integrierter Plastifizierzone durchgeführt werden. Hierfür wurde untersucht, wie sich die Ausstoßleistung des Extruders bei unterschiedlichem Gegendruck verhält. Es wurden zwei verschiedene Düsenwerkzeuge mit einem Austrittsdurchmesser von 1,3 mm und 5 mm angefertigt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Ausstoßleistung unabhängig vom Werkzeuggegendruck ist (Bild 8). Außerdem ist weiterhin die lineare Abhängigkeit der Ausstoßleistung von der Drehzahl gegeben. Zukünftige Versuche werden die Eignung des Extruders für die additive Fertigung untersuchen.

Fazit: kontinuierliche Filamentförderung ohne Zerkleinerung

Es ist erstmals gelungen, einen neuartigen Filamentextruder zu entwickeln, der ein thermoplastisches Filament durch eine sich drehende Schnecke verarbeiten kann. Der Extruder zeichnet sich dabei durch eine konische Förderzone aus, die es ermöglicht, ein Filament kontinuierlich zu fördern, ohne es zu zerkleinern. Die Verwendung eines Filaments ermöglicht den Einsatz des Extruders für die roboterbasierte additive Fertigung nach dem Strangablegeverfahren, da unabhängig von dessen Lage eine konstante Ausstoßleistung erzielt wird. Durch die Verwendung einer genuteten Plastifizierzone mit Barriereschnecke im Anschluss an die konische Einzugszone wird eine maximale Aufschmelzkapazität bei minimaler Baugröße erzielt.

Leistungstests zeigen, dass mit diesem Konzept eine Ausstoßleistung von 5 kg/h erreicht wird und der Durchsatz linear von der Schneckendrehzahl abhängig ist, was die Grundlage für ein präzises Strangablegeverfahren bildet. Außerdem ist die Ausstoßleistung unabhängig vom Werkzeuggegendruck, sodass die Werkzeuggeometrie leicht variiert werden kann.

Die Verdrehung des Filaments entlang seiner Hauptachse während des Prozesses sollte für zukünftige Versuche genauer untersucht werden. Eine bereits geplante Entkoppelung der Drehzahl der Filamentrolle von der der Schnecke wird als zielführend angenommen. Dies würde außerdem das Gewicht und die Trägheit des Extruders reduzieren, was wiederum vorteilhaft für die Anwendung in der roboterbasierten additiven Fertigung ist. 

[1] Bonten, C. Kunststofftechnik: Einführung und Grundlagen. 2. Auflage. München: Hanser, 2016. ISBN 3446452230

[2] Feldmann, C. und A. Pumpe: 3D-Druck – Verfahrensauswahl und Wirtschaftlichkeit: Entscheidungsunterstützung für Unternehmen. Springer Gabler, 2016. ISBN 9783658151966

[3] Grünschloß, E. Helibar: Ein neuartiger Einschnecken-Extruder mit verbesserter Plastifizier- und Förderleistung. Handbuch zum 17. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 19.–20. März 2001. ISBN 3000072977

[4] Grünschloß, E. Helibar: Ein universelles Plastifiziersystem für Einschneckenextruder und Spritzgießmaschinen. Handbuch zum 18. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 19.–20. März 2003. ISBN 3000106634

[5] <a href="http://www.wegenerwelding.de/DE/produkte/schweissen/extruder/beta3-SC-TWISTY.html" target="_blank">Wegener International GmbH. Extrusionschweißen [online]</a>

[6] Ludwig, D.: Konstruktion eines neuartigen Filamentextruders für den roboterbasierten 3D-Druck [unveröffentlichte Studienarbeit]. Stuttgart, 2018: Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik.

Ausgabe-2019-06

Stirnseite des aufgebauten Filamentextruders ohne Plastifizierzone

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Bild 1. Additive Fertigung nach dem Strangablegeverfahren [1]

Bild 2. Handelsüblicher Handschweißextruder

Bild 3. Zentrales Konstruktionsprinzip: Die Filamentrolle ist auf der Schneckenwelle des Filamentextruders angebracht. Ein Hohlwellenmotor (M) dreht die Rolle synchron zur Schnecke 

Bild 4. Gesamtaufbau des Filamentextruders: Aufsicht (links) und Querschnitt (rechts) 

Bild 5. Versuchsaufbau für die Untersuchung der Einzugszone

Bild 6. Zylindervarianten für die Einzugszone: links glatt, rechts genutet 

Bild 7. Glatter und genuteter Zylinder im Vergleich: Ausstoßmessungen mit ABS-Filament

Bild 8. Ausstoßleistung bei unterschiedlichem Gegendruck

IKT - Hauptartikel

<a href="http://M.Sc">M.Sc</a>. Philipp Thieleke, <a href="http://M.Sc">M.Sc</a>., ist seit 2015 Mitarbeiter der Abteilung Verarbeitungstechnik am Institut für Kunststofftechnik (IKT) an der Universität Stuttgart und forscht insbesondere auf dem Gebiet der Einschneckenextrusion;  <a href="mailto:philipp.thieleke@ikt.uni-stuttgart.de">philipp.thieleke@ikt.uni-stuttgart.de</a><br/>Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten, geb. 1969, ist Leiter des IKT an der Universität Stuttgart.

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln der Baden-Württemberg Stiftung gefördert.