Funktionsbauteile mit Standardgranulaten additiv hergestellt

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Umfangreiche Laborversuche sind eine gute Basis, ersetzen aber nicht die Erkenntnisse, die täglich in der Praxis gewonnen werden. Kommen Hersteller von Kunststoffteilen mit dem Freeformer also tatsächlich schnell und kostengünstig zu einem funktionsfähigen Bauteil? Vor der Antwort ein bisschen Theorie.
Die Freeformer von Arburg mit ihrem Kunststoff-Freiform-Verfahren sind der industriellen additiven Fertigung in hoher Qualität zuzuordnen. Die Oberfläche, die mit dem Arburg-Kunststoff-Freiformen (AKF) erzeugt wird, ist gleichmäßig und entspricht der eines grob strukturierten Spritzteils. Messungen der Zugfestigkeit zeigen, dass die Qualität von Bauteilen für die meisten Funktionsteile und Kleinserien vollkommen ausreicht.
Erste Resultate aus Unternehmen, die mit dem Freeformer arbeiten, bestätigen das. Am Beispiel der Firma Agrodur Grosalski GmbH & Co. KG, Bad Berleburg/Radevormwald, wird klar, wie das Unternehmen mit dem Freeformer für sich und seine Kunden den gewünschten Mehrwert erreicht.

Von der Theorie zum Praxistest

Im Oktober 2014 ist Agrodur in die industrielle additive Fertigung mit dem Freeformer eingestiegen. Michael Grosalski, geschäftsführender Gesellschafter, nennt seine Entscheidungsgründe: „Wir fertigen zwar auch Anschauungsmuster auf unserem System. Unser Fokus liegt aber auf Teilen für Einbauversuche und Funktionstests. Dadurch können wir fallabhängig auf teure, zeitaufwendige Prototypen- beziehungsweise Kleinserienwerkzeuge verzichten.“

Der Freeformer nutzt bei Bauteilen mit beweglichem Gelenk wie dem orangenen Schlüsselanhänger eine zweite Austragseinheit für den Aufbau von Stützstrukturen, die sich später leicht entfernen lassen.

 

Mit dem Freeformer zeit- und kostensparend einzelne Kunststoffteile und kleine Serien wirtschaftlich zu produzieren, funktioniert also. Denn wenn auf ein Spritzgießwerkzeug verzichtet werden kann, spart das deutlich Zeit und Kosten.
Einen deutlichen Hinweis auf das Qualitätsniveau geben im Fall von Agrodur die bereits produzierten Bauteile. Die Kunden kommen aus den anspruchsvollen Bereichen Automobil und Sanitär. Aufgebaut wurden beispielsweise ein komplexes Pumpengehäuse, eine Aufputz-Schukosteckdose und ein 850 Gramm schweres vierteiliges Gehäuse für einen Wasserfilter aus dem amorphen Polyamid Grilamid TR 90.

Verarbeitung von Standardgranulaten

Ein Alleinstellungsmerkmal des patentierten AKF-Verfahrens ist, dass sich damit kostengünstige qualifizierte Standard-Kunststoffgranulate verarbeiten lassen. Das Granulat wird ähnlich wie beim Spritzgießen zunächst in einem Plastifizierzylinder aufgeschmolzen. Über die Düse der feststehenden Austragseinheit werden die Kunststofftropfen mittels hochfrequenter Piezotechnik im vorgegebenen Takt (60 bis 200 Hertz) unter Druck auf den beweglichen Bauteilträger aufgetragen, der Platz für maximal 154 x 134 x 230 Millimeter große Teile bietet. Der Bauteilträger wird so positioniert, dass jeder Tropfen auf die vorher berechnete Stelle gesetzt wird. Die 0,2 bis 0,3 Millimeter großen Tropfen verbinden sich beim Abkühlen von selbst. So entsteht auf Basis von 3D-CAD-Daten Schicht für Schicht das gewünschte dreidimensionale Bauteil.

Qualifizierung des Materials

Zu den bereits qualifizierten Materialien zählen ABS, PC, PA und TPU. Zusätzliche unverstärkte Kunststoffe wie etwa PP sind Teil der Weiterentwicklung. Um zu prüfen, ob und wie ein neues Material verarbeitet werden kann, sind zahlreiche Tests und Prüfverfahren erforderlich. Zu den wichtigsten Parametern, die von den Arburg-Experten untersucht werden, zählen Verarbeitungstemperatur und Temperaturbeständigkeit.

as 850 Gramm schwere Wasserfilter-Gehäuse aus amorphem PA 12 fertigt der Freeformer in vier Teilen.

Das 850 Gramm schwere Wasserfilter-Gehäuse aus amorphem PA 12 fertigt der Freeformer in vier Teilen.

 

Mit etwas Experimentierfreude klappt die Qualifizierung weiterer Kunststoffe aber reibungslos auch in Eigenregie, wie das Beispiel Agrodur zeigt. Michael Grosalski beschreibt, wie er dabei vorgegangen ist: „Nach zwei Tagen Einarbeitung habe ich im Oktober 2014 zunächst mit einem qualifizierten ABS von Arburg geübt. Schon einen Monat später konnte ich selbst eigene Materialien qualifizieren und vielversprechende Ergebnisse mit teilkristallinen und amorphen Kunststoffen erzielen. Komplett schief ging kein Versuch. Bei Bedarf ist schnell ein Experte von Arburg erreichbar. Natürlich klappt noch nicht jedes Material perfekt, aber ich bin zuversichtlich, kurz- oder mittelfristig noch mehr teilkristalline Kunststoffe sicher verarbeiten zu können.“
Auf der Wunschliste von Agrodur stehen mittel- und langfristig die Verarbeitung von Hochtemperatur-kunststoffen wie PEEK sowie eine dritte Düse, um auch Bauteile in zwei Farben oder als Hart-Weich-Verbindung mit Stützstruktur additiv fertigen zu können.

Mehrkomponenten-Anwendungen

Arburg hat sein jahrzehntelanges Know-how in der Kunststoffverarbeitung eingebracht und die Technik aus Sicht eines Maschinenbauers entwickelt – das bedeutet: so unkompliziert wie möglich. Das beginnt mit dem Einsatz eines aus dem Spritzgießen bekannten Plastifizierzylinders zum Aufschmelzen der Granulate und reicht bis zur Datenaufbereitung und Maschinensteuerung.

Das Arburg-Kunststoff-Freiformen (AKF) basiert auf flüssigen Kunststofftropfen. Ausgangsmaterial ist qualifiziertes Standardgranulat, das in einer Plastifiziereinheit aufgeschmolzen wird.

 

Standardmäßig ist der Freeformer mit zwei Austragseinheiten bestückt. Damit kann er eine zusätzliche Komponente verarbeiten, um etwa ein Bauteil in verschiedenen Farben, mit spezieller Haptik oder als Hart-Weich-Verbindung zu erzeugen. Alternativ lassen sich Strukturen aus einem wasserlöslichen Stützmaterial aufbauen, um komplexe Bauteilgeometrien zu realisieren. Nach Entfernen der Stützstrukturen im Wasserbad sind die Bauteile für Funktions- und Montagetests ein­setzbar.

Hohe Flexibilität – kurze Reaktionszeit

Die hohe Flexibilität des Freeformers schätzt Agrodur besonders, denn dadurch kann auch auf kurzfristige Änderungen bei Produktdesign und Maßen reagiert werden. Grosalski dazu: „ Diesen Umstand haben auch unsere Kunden erkannt, die uns praktisch das Haus einrennen.“ Wie effektiv man mit dem Freeformer arbeiten kann, zeigte sich zum Beispiel während der Hannover Messe 2015. Dort nutzte Michael Grosalski die Gelegenheit, auf einem Freeformer-Exponat von Arburg über Nacht noch schnell ein Bauteil zu fertigen, das er seinem Kunden am nächsten Tag präsentierte.

Die Freeformer bei Agrodur produzieren fast rund um die Uhr – beispielsweise Aufputz-Steckdosen aus ABS, wie Michael Grosalski, geschäftsführender Gesellschafter von Agrodur, hier zeigt.

 

Steuerung mit Multi-Touchscreen

Die Bedienung des Freeformers ist dank der von Arburg entwickelten Steuerung vergleichsweise einfach. Das Bedienpanel besteht aus einem leistungsstarken Industrie-PC mit Multi-Touchscreen, der über Gesten intuitiv gesteuert wird. Die 3D-CAD-Daten werden nach qualitäts- und materialabhängigen Kriterien aufbereitet und die Teilegeometrie schichtweise in Slicing-Parameter zerlegt. Der Bediener muss nur die STL-Daten einlesen und das Material definieren. Daraus generiert die Steuerung selbstständig die Verarbeitungsdaten. Aber auch die individuelle Eingabe von Parametern ist möglich. Flexibilität im täglichen Einsatz wird also auch durch die einfache Handhabung des Gesamtsystems erreicht.

Kontinuierliche Weiterentwicklung

Bei Agrodur ist der Freeformer seit Anfang 2015 rund um die Uhr im Einsatz. Im Durchschnitt dauert es einen Tag, um ein Standardbauteil zu fertigen, inklusive Vorbereitungen und Einrichtung des Systems. Bei 150 bis 250 neuen Produkten, die das Unternehmen pro Jahr herstellt, ist der Bedarf an hochwertigen Prototypen und das Potenzial für die additive Fertigung groß.
Die positiven Erfahrungen von Agrodur bestätigen den Weg, den Arburg mit dem Freeformer gegangen ist. Das System kommt bevorzugt dann zum Einsatz, wenn etwa schnell ein Ersatzteil oder Funktionsmuster zur Verfügung stehen muss. Einzelteile oder variantenreiche Kleinserien lassen sich damit unmittelbar nach Bedarf fertigen. Das Arburg-Kunststoff-Freiformen bietet dabei eine enorme Designfreiheit und Materialvielfalt. Zudem lassen sich Teilegeometrien realisieren, die spritztechnisch nicht entformbar wären. Damit ist der Freeformer also kein Ersatz, sondern eine sinnvolle Ergänzung zum Spritzgießen. So sieht es auch Michael Grosalski, der bereits seit den 1970er-Jahren auf Spritzgießtechnik von Arburg und jetzt auch auf den Freeformer setzt. (jbi)

Heinz Gaub ist Geschäftsführer Technik bei Arburg in Loßburg.

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