CDM:Studio erwecken mit Hilfe des BigRep ONE Haie zum Leben

März 17, 2023März 17, 2023

Verbesserung des traditionellen Formenbaus durch additive Fertigung.

Jason Kongchouy und CDM:Studio, sein Team von Modellbauern in Perth, haben mit ihren Dinosauriermodellen die Vergangenheit für das Western Australian Museum zum Leben erweckt. Doch gibt es noch viel ältere Wesen als die Dinosaurier: Haie, oder, auf Englisch: Sharks! So heißt auch die neueste Ausstellung im Australian Museum in Sydney, die Besucher in die Welt dieser 190 Millionen Jahre alten Urzeitmonster eintauchen lässt. Das Team von CDM:Studio wurde aufgrund seier Expertise, Erfahrung und hervorragenden Fähigkeit, historische Tiere zum Leben zu erwecken, mit dieser Aufgabe betraut.

Traditionell werden große Modelle in einem langwierigen und aufwändigen Prozess aus Ton hergestellt. Hier bietet der BigRep ONE die perfekte Lösung: er ermöglicht eine schnelle Prototypenentwicklung und schnellen Druck, und verkürzt auf diese Weise erheblich die Produktionszeiten. Wir sprachen mit Jason Kongchouy, dem Studio Manager und Senior Fabricator bei CDM:Studio über sein Projekt, über die Herausforderung, Haie mit minimalen Referenzen nachzubilden, und über die Materialien, die er verwendet hat.

Was ist und was macht CDM:Studio?

CDM:Studio ist unser Modellierstudio in Perth, Westaustralien. Wir produzieren Objekte und arbeiten an kreativen Projekten, die Andere nicht umsetzen könnten. Unsere Dienstleistungen werden hauptsächlich von Museen, Bauunternehmen, Architekt*innen und Designer*innen genutzt. Für unsere Kund*innen produzieren wir Gegenstände auf unserem BigRep ONE, auf SLA-Maschinen und auf einer fünfachsigen CNC-Maschine. Zudem haben wir umfangreiche Kenntnisse in der Herstellung von Formen und Modellen. Wir machen mehr als nur 3D-Druck, aber er hilft uns, diese Probleme für Andere zu lösen.

"Wir hatten also viele komplizierte Aufgaben, und es hätte deutlich länger gedauert, wenn uns der 3D-Drucker nicht entlastet hätte."

Welche Probleme löst der 3D-Druck für Euch?

Es ist wichtig zu verstehen, dass wir unsere Objekte jetzt digital in einem 3D-Modellierprogramm namens ZBrush entwerfen. Wir arbeiten immer häufiger mit Museen zusammen, für die wir Teile eins-zu-eins additiv fertigen. Dann bearbeiten wir die Teile mit allen möglichen Techniken und Methoden, weil Kunden nicht einfach additiv gefertigte Gegenstände kaufen. Es sind keine Produkte für Endverbraucher. Für uns ist das Drucken nur ein Teil der Pipeline. Wir haben ja vor dem Interview darüber gesprochen, dass Spezialeffekte mit ähnlichen Modellen kreiert werden. Da wurde früher alles mühsam in monatelanger Arbeit aus Ton und Glasfaser hergestellt. Jetzt gibt es stattdessen einen einzelnen 3D-Modellierer, und eine Maschine, die rund um die Uhr arbeitet und uns die ganze körperliche Arbeit abnimmt. Und in unserer Branche gibt es viel körperliche Arbeit, was einfach erschöpfend ist. Dazu kommt, dass der kreative Output im Verlauf des Projekts abnehmen kann. Nach sechs Wochen fallt das Level ziemlich ab. Bei einer 3D-Datei ist es dagegen so: wir slicen etwas und schicken es an den BigRep, und das ist genau das, was rauskommt. Ich denke, dem Museum gefällt das auch. Viele unserer Objekte müssen geprüft und abgenommen werden. Wir können also die 3D-Datei an die Wissenschaftler*innen schicken, und die können sie wiederum von Expert*innen auf der ganzen Welt prüfen lassen.

Ist ein Hai einfacher zu entwerfen als ein Dinosaurier? Schließlich existieren Haie heute noch...

Ja, absolut, aber auch da gibt es Herausforderungen, die wir meistern müssen. Alle von uns hergestellten Haie sind in diesem Teil Australiens heimisch. Es gab also Proben und Zähne und Fotos. Allerdings gibt es das interessante Problem, dass niemand einen Hai aus dem perfekten Winkel fotografiert. Man braucht deshalb ein gutes Verständnis für Anatomie, um die richtigen Proportionen abzuleiten. Die perfekte Form ist also gar nicht so leicht zu finden. In der Ausstellung gibt es zum Beispiel einen prähistorischen Vorfahren der Haie, den sogenannten Helicoprion. Außer einer fossilen Zahnspirale konnten wir nichts dazu finden. Aber unser Modell bildet den neuesten wissenschaftlichen Stand zu diesem Wesen ab. Dann gibt es noch einen Hai, der tief im Ozean lebt, und von dem es unglaublich wenige Fotos auf der Welt gibt. Wir hatten also kaum Referenzen, aber es war trotzdem spannend, das Ganze in einem physikalischen Modell zu realisieren.

"Wir machen mehr als nur 3D-Druck, aber er hilft uns, diese Probleme für Andere zu lösen."

Wie viel Zeit spart Ihr, wenn Ihr Eure Modelle additiv fertigt statt mit Ton?

Wenn man sich ausschließlich auf ein Modell konzentrieren würde, könnte man einen Hai wie den Weißen Hai oder den Helicoprion in ungefähr sechs Wochen drucken. Wirtschaftlich gesehen bräuchte man mit dem konventionellen tonbasierten Produktionsprozess vier bis fünf Monate für das gleiche Ergebnis. Dank des 3D-Druckers können wir uns um andere Probleme im Projekt kümmern, und die gedruckten Teile dann mit unserem Modellbauwissen weiterbearbeiten: sie zusammenkleben, Oberflächen schleifen und mit Epoxidharz beschichten. Wir hatten also viele komplizierte Aufgaben, und es hätte deutlich länger gedauert, wenn uns der 3D-Drucker nicht entlastet hätte. Er hilft uns, alles zu modernisieren und effizienter zu machen.

Mit welchem Material druckt Ihr, und warum?

Für dieses Projekt nutzen wir BigRep PRO HT. Es wurde uns empfohlen, weil es sehr temperaturbeständig ist, und weil es weniger leicht schmilzt oder weich wird als PLA. Wenn die Ausstellung in Sydney vorbei ist, könnte sie möglicherweise nach Amerika oder Europa kommen. Ihr könnt sie also hoffentlich eines Tages besuchen. Die Modelle werden verschifft und vielleicht in superheißen Gegenden wie Arizona ausgestellt werden, und deswegen haben wir ein sehr beständiges Material wie PRO HT gebraucht. Noch dazu haben wir sie mit Epoxidharz und Glasfaser verstärkt, weil sie möglicherweise von Menschen in der Ausstellung angefasst werden.

"Die Modelle werden verschifft und vielleicht in superheißen Gegenden wie Arizona ausgestellt werden, und deswegen haben wir ein sehr beständiges Material wie PRO HT gebraucht."

Irgendwelche letzten Worte zum BigRep PRO oder Ideen für die Zukunft?

Für uns ist der BigRep PRO ein wirklich nützliches Werkzeug. In Sachen Leistung ist der ONE perfekt für uns. Und wir freuen uns schon auf die nächsten spannenden Projekte, die wir mit dem BigRep machen können.

Möchten Sie wissen, was der BigRep ONE für Ihr Unternehmen tun kann? Erfahren Sie hier mehr über den Großformatdruck.

Redmond Bacon

Redmond Bacon is a technical writer with a deep editorial background. He has a great interest in the many different applications involved with additive manufacturing, from the arts to automotive, prototyping to manfuacturing. His role at BigRep is to communicate the ins and outs of 3D printing to both the BigRep community and a wider audience.

Design Für Die Additive Fertigung: Best Practices Für Bessere 3D-Drucke

März 21, 2023Februar 12, 2023

Design for Additive Manufacturing (DfAM)

Design für die additive Fertigung:
Best Practices für bessere 3D-Drucke

Dank 3D-Druck kann man heute unendlich viele individuelle und innovative Lösungen entwerfen. Bastler verwenden den 3D-Druck, um ihre eigenen Heimwerkerprojekte zu kreieren und zu optimieren. Für industrielle Zwecke bietet die additive Fertigung (AM) um ein Vielfaches mehr, vor allem, wenn man einen großformatigen Drucker von BigRep besitzt. Zusätzlich zur Designfreiheit bieten 3D-Drucker viele weitere Vorteile: kostengünstige kundenspezifische Anpassungen, schnellere Markteinführungen, weniger Materialverschwendung, und die Vermeidung von komplizierten Logistik- und Lieferketten.

Es sind jedoch nicht alle Entwürfe für die additive Fertigung geeignet. Mit den richtigen Kenntnissen holen Sie das Beste aus Ihrem Drucker heraus, vor allem in den anfänglichen Entwurfs- und Konzeptphasen. Hier kann Design for Additive Manufacturing (DfAM) für den Erfolg Ihres Projekts entscheidend sein.

Was Ist Design for Additive Manacturing

Die additive Fertigung (AM) ist ein Prozess, in dem ein Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird. Sie ist das Gegenteil der subtraktiven Fertigung, bei der ein Objekt durch das Entfernen von überschüssigem Material produziert wird. Ein Beispiel ist die CNC-Bearbeitung. Obwohl die Begriffe oft synonym verwendet werden, ist der 3D-Druck nur die häufigste Form der additiven Fertigung. DfAM ist eine Methode, mit der man Teile speziell für die additive Fertigung entwerfen kann. Die Voraussetzungen unterscheiden sich von denen für andere typische Fertigungsprozesse wie z.B. den Spritzguss. Anders als traditionelle Designregeln bilden DfAM-Prinzipien einen Leitfaden für Designer*innen. Damit können sie die einzigartigen Kapazitäten des 3D-Drucks voll ausschöpfen und gleichzeitig einige Nachteile durch intelligente Lösungen umgehen.

In diesem Leitfaden werden einige Faktoren erklärt, die ein Design geeignet für den 3D-Druck machen, sowie DfAM-Prinzipien vorgestellt, mit denen Sie die Erzeugnisse Ihres 3D-Druckers verbessern können.

Warum DfAM

DfAM-Kenntnisse sind entscheidend, wenn man erfolgreiche, reproduzierbare und skalierbare Ergebnisse erzielen möchte, die die Einsatzmöglichkeiten des 3D-Drucks voll ausschöpfen. Welche Vorteile bieten die folgenden DfAM Richtlinien für Sie?

Niedrigere Material- und Teilkosten: Durch Implementierung der DfAM-Prinzipien vermeidet man unnötige Stützstrukturen, was wiederum den Materialverbrauch und die Druckkosten reduziert. Mithilfe von generativer Designsoftware und KI können Teile so entworfen werden, dass sie einen minimalen Materialverbrauch haben und dennoch die Anforderungen an die Teile erfüllen.
Schnellere Druckzeiten: Großformatige 3D-Drucke können Tage oder sogar Wochen dauern! Wenn Komponenten für die additive Fertigung optimiert sind, können Sie den effizientesten Druckplan erstellen, um die Druckzeit so weit wie möglich zu minimieren.
Bessere Skalierbarkeit: Entwürfe, die nach den DfAM-Prinzipien entworfen wurden, können ohne große Veränderungen auf verschiedenen Druckern gedruckt, sowie vergrößert oder verkleinert werden. 3D-Drucker können Teile sequentiell in Chargen drucken, und in manchen Fällen sogar parallel, was die Produktionszeit für jedes Teil drastisch reduziert.
Bessere Teilefestigkeit: Durch Anwendung der DfAM-Prinzipien können Sie die Festigkeit Ihrer 3D-Drucke erhöhen und gleichzeitig dessen Eigenschaften verändern, darunter Teilgewicht, Flexibilität und vieles mehr.

DfAM Best Practices

Obwohl DfAM-Prinzipien viele Vorteile bringen, hängen einige spezifische Designentscheidungen von der gewählten 3D-Drucktechnik ab. Die DfAM Best Practices werden Ihnen in jedem Fall dabei helfen, Materialverbrauch und Druckzeit zu reduzieren, die Festigkeit von Bauteilen zu erhöhen und Topologie und Leistung zu optimieren, egal, welche 3D-Drucktechnik Sie verwenden.

1. DfAM hängt von Ihrem spezifischen 3D-Drucker ab

Bevor Sie Designs für den 3D-Druck erstellen, sollten Sie wissen, welche verschiedenen Prozesse zur Verfügung stehen. Unter den beliebtesten 3D-Druckprozessen findet man FFF (oft wird hierfür auch der geschützte Name FDM verwendet), SLA und SLS.

FFF (fused filament fabrication)Beim 3D-Druck wird geschmolzenes Plastik in Schichten auf einem Druckbett abgelegt. Das Plastik, in Form eines aufgewickelten Filaments, wird durch eine geheizte Düse geführt, die das Material erweicht und in einem dünnen Strom extrudiert. Der Drucker legt dann dieses geschmolzene Plastik gemäß den Designspezifikationen für das gedruckte Modell ab. Sobald eine Schicht vollendet ist, bewegt sich der Extruder in großformatigen FFF 3D-Druckern genau eine Schicht an der Z-Achse aufwärts, und legt dann eine weitere Schicht auf der vorigen ab. Bei kleinformatigen Druckern bewegt sich das Druckbett um eine Schicht nach unten, damit die nächste Schicht gedruckt werden kann. Dieser Prozess wiederholt sich, bis das Modell fertig ist. Kleinformatige FFF 3D-Drucker sind relativ einfach und kostengünstig, und sind deshalb bei Hobbyisten und Heimnutzern sehr beliebt. Großformatige spezialisierte FFF-Maschinen können jedoch qualitativ hochwertige Ergebnisse produzieren, und sind dadurch eine zukunftsfähige Option für professionelle und industrielle Anwendungen. Jeder FFF-3D-Drucker benötigt Stützstrukturen für Teile mit Überhangwinkeln, und um größere Distanzen zu überbrücken. Die Mindestwandstärke, Schichthöhen und andere Einstellungen hängen vom FFF-3D-Druckermodell ab. FFF-3D-Drucker können mit verschiedenen Materialien drucken, doch praktisch alle Filamente bestehen aus einem Polymer und können auch Fasern, Metall, Holz oder andere Additive enthalten. Manche FFF-Drucker können wasserlösliche Materialien für die gedruckten Stützstrukturen nutzen, so dass sie leicht zu entfernen sind.
SLA (Stereolithografie) verwendet ultraviolettes (UV) Licht, um lichtempfindliche Harzschichten eine nach der anderen auszuhärten. Wenn eine Schicht gedruckt ist, bewegt sich die harzgefüllte Wanne mit dem zu druckenden Teil um eine Schichtdicke nach unten. Manche SLA-Drucke benötigen Stützstrukturen, die etwas von FFF-Stützstrukturen abweichen und nicht mit wasserlöslichen Materialien gedruckt werden können. Normalerweise müssen SLA-Drucke nach dem Drucken gereinigt werden, um Überreste von nicht ausgehärtetem Harz zu entfernen, da das Teil sonst klebrig und schädlich für die menschliche Haut wäre.
Beim SLS-Verfahren(Selektives Lasersintern) schmilzt ein Laser pulverförmige Materialien auf, um Schicht für Schicht ein 3D-Objekt zu produzieren. Wenn eine Schicht gedruckt wurde, wird das Pulverbett um eine Schichthöhe herunterbewegt, so dass eine nächste Schicht auf der vorigen gesintert werden kann. SLS-Drucke brauchen keine Stützstrukturen, weil der Druck während des Druckprozesses von nicht-gesintertem Pulver umgeben ist. Fertige SLS-Drucke müssen meist gereinigt werden, manchmal mithilfe von speziellen Maschinen, um das lose Pulver von dem 3D-gedruckten Teil zu entfernen.

2. Reduzieren Sie den Materialverbrauch und die Druckzeiten

Wenn Sie ein 3D-Modell für die additive Fertigung entwerfen, sollten Sie unbedingt berücksichtigen, wie viel Material benötigt wird, und wie lange es dauert, bis das Endprodukt fertig ist. Ein reduzierter Materialverbrauch kann Produktionskosten reduzieren und den Produktionsprozess beschleunigen. So können Sie den Materialverbrauch reduzieren:

Reduzieren Sie die Oberflächendetails im Modell: Software für 3D-Drucker bietet meist spezielle Werkzeuge, mit denen man die Oberflächendetails im 3D-Modell reduzieren kann.
Optimieren Sie die Slicereinstellungen: Sie können den Fülldichteanteil, die Wandanzahl und mehr reduzieren.
Ändern Sie die Ausrichtung der Teile: Reduzieren Sie Druckzeiten, Materialverbrauch und Stützstrukturen durch optimierte Anordnung der Teile.

3. Fassen Sie Teile zusammen

Ein Vorteil des 3D-Drucks ist, dass Teile, die früher separat produziert und dann zusammengefügt werden mussten, heute als ein einziges, integriertes Teil 3D-gedruckt werden können. Dadurch können Sie Druckzeiten und Montagezeiten reduzieren, Produktionsgeschwindigkeiten erhöhen, und die Teilefestigkeit steigern. Zusätzlich ist eine Bauteilintegration oft nur mit 3D-gedruckten Teilen möglich; die DfAM-Richtlinien können Ihnen also dabei helfen, die Vorteile der additiven Fertigung voll auszuschöpfen. Vorteile der Bauteilintegration sind unter anderem:

Reduzierung der Gesamtanzahl von Teilen, die produziert werden müssen, was wiederum die Logistik vereinfachen und Montagezeiten reduzieren kann
Reduzierung der Produktionszeit für jedes Teil
Reduzierung der Abfallmengen, die durch den Fertigungsprozess generiert werden
Reduzierung der internen Spannungen und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des fertigen Teils

4. Optimieren Sie die Topologie

Prinzipien zum Optimieren der Topologie zielen darauf ab, mit minimalen Materialmengen die Leistungsanforderungen zu erfüllen, um dadurch das Gewicht der Komponente zu minimieren. Zuerst müssen Sie die mechanischen Leistungsanforderungen (zum Beispiel Steifigkeit oder Festigkeit) und entwurfsbedingten Beschränkungen (zum Beispiel maximale zugelassene Spannung oder Verformung) festlegen. Manche CAD-Programme können simulieren, wie Ihre Teile auf verschiedene Lasten reagieren. Ausgehend von den Analyseergebnissen können Sie dann automatisch die verschiedenen Designparameter einstellen, bis Sie eine optimale Lösung finden. Durch Optimieren der Topologie können Sie die Festigkeit, die Steifigkeit oder das Gewicht des Teils verbessern und gleichzeitig Fertigungskosten sparen. Hier wird oft eine Finite Element Analyse (FEA) eingesetzt, um die Effekte von Designänderungen auf die Eigenschaften des Teils zu bewerten. Mit den Ergebnissen ist es dann möglich, ein neues effizienteres und effektiveres Design zu kreieren.

DfAM Richtlinien

Die minimale Strukturgröße beschreibt die Mindestbreite oder -höhe, die ein 3D-Drucker präzise drucken kann.

1. Minimale Strukturgröße

Die minimale Strukturgröße beschreibt die Mindestbreite oder -höhe, die ein 3D-Drucker präzise drucken kann. Scharfe Kanten, Löcher, hervorstehender Text und Aussparungen sind Strukturen, bei denen eine Minimalgröße ausschlaggebend für den Erfolg sein kann. Egal entlang welcher Achse ein Teil ausgerichtet wird, ergeben sich normalerweise Beschränkungen durch die verwendete 3D-Drucktechnik, sowie durch die spezifische Hardware (z.B. Düsengröße) und die Präzision der Maschine.

Wenn in Ihrem 3D-gedruckten Teil Löcher vorgesehen sind, wird der Mindestdurchmesser von verschiedenen Faktoren beeinflusst, die wiederum von der 3D-Drucktechnik abhängen. Beim SLS-Druck müssen die Löcher z.B. einen Mindestdurchmesser von 1,5 mm aufweisen, damit das Pulver nicht in den Löchern hängenbleibt. Beim FFF-3D-Druck dagegen hängt der Mindestlochdurchmesser hauptsächlich von der Düsengröße und der Schichthöhe ab.

Eine DfAM-Empfehlung ist, dass alle spitze Ecken abgerundet oder mit Fasen versehen werden, um Spannung zu verringern. Das Abrunden oder Anfasen von scharfen Kanten sorgt für die Verteilung von Kräften, die sonst auf eine spezifische Stelle in dem Design wirken würden.

2. Wandstärke und Schichthöhe

Die Wandstärke beschreibt die Dicke der gedruckten Umrissschichten des Objekts, und ist abhängig von der Anzahl an Wandlinien (Wall Line Count). Die absolute minimale Wandstärke ist eine einzige extrudierte Linie (Anzahl der Wandlinien: 1) und hängt von der Düsengröße ab: Sie darf nicht kleiner sein als der Düsendurchmesser, und sollte sogar etwas größer sein, üblicherweise um einen Faktor von 1,2. Zusätzliche Wandlinien, wie z.B. innere Wände und Infillwände können dünner sein als der Düsendurchmesser, sollten aber 60% nicht unterschreiten.

Die Berechnung der Mindestwandstärke sollte auch die Gesamtgeometrie und den Verwendungszweck des 3D-Drucks berücksichtigen. Für ein funktionales Objekt, das Spannung oder Lasten ausgesetzt wird, sind dickere Wände mit einer höheren Anzahl an Wandlinien unverzichtbar. Dagegen können dünnere Wände mit weniger Linien genügen, wenn das Objekt als Prototyp für eine Designiteration oder Passungsprüfung gedacht ist. Je dicker die Wände, desto länger die Druckdauer, und desto höher das Teilegewicht.

Die Schichthöhe ist die Dicke jeder Schicht, gemessen an der Z-Achse, und hat ebenfalls einen Einfluss auf Ihre DfAM-Entscheidungen. Obwohl die Einstellungen für die Schichthöhe während des Slicings bestimmt werden, können Sie Ihr Design an die geplanten Einstellungen anpassen. Die minimale Strukturgröße hängt zum Beispiel von der Schichthöhe ab; Sie sollten also keine Strukturen entwerfen, die Ihr 3D-Drucker nicht produzieren kann.

Die Schichthöhe hängt vom Düsendurchmesser ab, und muss kleiner sein als der Düsendurchmesser, üblicherweise um einen Faktor zwischen 0,3 und 0,6. Je höher die Schichthöhe, desto schneller der Druck, und desto rauer die Schichtstruktur an der Oberfläche. Die Teilfestigkeit wird auch von der Verbindung zwischen den Schichten beeinflusst; höhere Schichthöhen verbessern leicht die Festigkeit. Üblicherweise werden niedrigere Schichthöhen für feinere, präzisere Drucke mit glatteren Oberflächen verwendet. Dagegen sind höhere Schichthöhen von Vorteil, wenn man schneller drucken will und die Oberflächengüte nicht allzu wichtig ist, oder durch Nachbearbeitung hergestellt werden kann.

3. Stützstrukturen

Obwohl sie streng genommen kein Teil des Designprozesses sind, kann man Stützstrukturen vermeiden, indem man den DfAM-Prinzipien folgt. Dies wiederum reduziert Druckzeiten und Materialverbrauch und verbessert gleichzeitig die Oberflächengüte.

Stützstrukturen sind temporäre Strukturen, die 3D-gedruckte Objekte verstärken. Sie verhindern, dass die Objekte während des Druckprozesses einbrechen und verbessern deren Gesamtfestigkeit und Langlebigkeit. 3D-Modelle mit Überhängen oder Elemente mit einer kleinen Kontaktfläche mit dem Druckbett benötigen während des 3D-Drucks Stützstrukturen. Teile mit feinen Strukturen oder Bereichen mit niedriger Dichte brauchen möglicherweise Stützstrukturen, damit Sie nicht während des 3D-Drucks beschädigt werden. Jeder 3D-Drucker und jedes Material hat eigene Grenzen, ab denen Stützen benötigt werden; die Faustregel besagt, dass Teile mit vertikalen Winkeln von maximal 50° keine Stützen benötigen.

Stützstrukturen sind dafür gedacht, nach dem Druckprozess entfernt zu werden. Breakaway-Stützen können aus dem gleichen Material gedruckt werden, aus dem auch der Druck selbst gefertigt wird, und werden nach dem Drucken manuell entfernt. Ein anderer Ansatz sind Stützstrukturen aus einem meist wasserlöslichen Material, die nach dem Drucken einfach aufgelöst werden können. Sie sind oft leichter zu entfernen und sorgen für eine bessere Oberflächenqualität. Wenn Sie die DfAM-Richtlinien für Überhänge und Brücken befolgen (siehe unten), dann brauchen Sie weniger oder sogar gar keine Stützstrukturen.

4. Überhänge

Ein Überhang ist eine geometrische Form, die über die vorige Schicht ohne eine Stützstruktur hervorragt. Ist ein Überhang zu steil, typischerweise über 50°, wird er ohne Stützstruktur einstürzen oder in sich zusammenfallen.

Wenn Sie Objekte für die additive Fertigung entwerfen, können Sie diese Winkel anpassen, um innerhalb der maximalen Überhangswinkel zu bleiben, so dass keine Stützstrukturen benötigt werden. Das hat drei Vorteile: die gedruckte Oberfläche sieht besser aus, das Teil wird schneller gedruckt, und es wird weniger Material benötigt. Mit dem BigRep BLADE Slicer können Sie die Stützstrukturen automatisch für spezifische Material- und Maschinenprofile entwerfen. Wenn Sie mit größeren maximalen Überhangswinkeln experimentieren wollen, können Sie diese Einstellung ändern und die automatisch generierten Stützen reduzieren. Die Materialwahl beeinflusst ebenfalls den maximalen Überhangswinkel, der ohne Stützen möglich ist. Wenn es Ihr Projekt erlaubt, können Sie ein Material wählen das größere Überhangwinkel toleriert, um das Drucken von Stützen zu vermeiden.

5. Bridging

Man spricht von Bridging (Brückenbildung), wenn ein Material mitten in der Luft gedruckt wird, um zwei oder mehr ansonsten nicht verbundene Segmente ohne eine Schicht darunter zu verbinden. Um erfolgreich eine Brücke zu bilden, muss das Material dazu in der Lage sein, sein eigenes Gewicht und das des Modells zu tragen. Die maximale Brückenlänge hängt von Material und 3D-Drucker ab. Wenn diese Grenze überschritten wird, hängt die Brücke durch, falls keine Stützstrukturen darunter gedruckt werden. Wenn Sie ein Material wählen, das bessere Bridgingeigenschaften hat, dann können Sie auf gedruckte Stützen verzichten, ohne Ihr Design zu ändern.

Wie im folgenden Bild gezeigt, wird die Qualität der Brücke schlechter, je länger die Brücke ist. Anders gesagt: ab einem gewissen Punkt (abhängig von Material, Drucker und Geometrie) hängt die Brücke durch. Das folgende Bild zeigt einen Testdruck von verschiedenen Brückenlängen, gedruckt mit einem BigRep ONE und mit PLA Filament. Hier sieht man, dass die Brückenqualität ab einer Länge von 50mm abnimmt. Bedenken Sie, dass dieser Testdruck nur eine Vereinfachung einer realen 3D-Druckanwendung darstellt; Ihr 3D-Druck wird im Vergleich zum Testdruck wahrscheinlich kürzere Brücken oder Stützstrukturen benötigen.

Bridging - Design for Additive Manufacturing

Bridging front view - Design for Additive Manufacturing

6. Ausrichtung

Die Teileausrichtung ist eine Einstellung, die während dem Slicing bestimmt wird. Wenn Sie diese Einstellung während der Designphase berücksichtigen, können Sie Ihren Entwurf dementsprechend verändern und verbessern.

Indem Sie die Ausrichtung des Teils im Bauraum des Druckers ändern, können Sie die Teilefestigkeit und die Oberflächenqualität verbessern, die Druckzeit verkürzen, und 3D-gedruckte Stützstrukturen vermeiden. Für festere Teile sollte der Druck so orientiert sein, dass die gedruckten Schichten senkrecht zu der Richtung stehen, in der Kraft auf das Teil ausgeübt wird. Grund dafür ist, dass die Verbindung zwischen den Schichten die schwächste Stelle des gedruckten Teils darstellt. Wenn die Schichten senkrecht zu den Kräften liegen, denen das gedruckte Teil ausgesetzt wird, wird das Teil bruchfester.

Ist ein Teil korrekt orientiert, werden weniger Leerbewegungen (der Druckkopf bewegt den Extruder an eine andere Stelle, ohne zu drucken) und gedruckte Stützen benötigt.

Die Oberflächenqualität kann auf zweierlei Arten negativ durch die Teileausrichtungbeeinflusst werden: Stützstrukturen und Treppeneffekt. Stützstrukturen lassen die Oberfläche eines 3D-gedruckten Teils rauer und unregelmäßiger wirken; in manchen Fällen kann das Entfernen der Stützstrukturen sogar die Oberfläche beschädigen. Beim Treppeneffekt hat das gedruckte Objekt starke Rillen in der Oberfläche, wie im rechten Bild gezeigt. Es gibt mehrere Wege, die Oberfläche glatter erscheinen zu lassen. Man kann zum Einen die Schichthöhe reduzieren, doch das verlängert die Druckzeit. Man kann das Teil aber auch so ausrichten, dass die Schichten senkrecht zu der Oberfläche des 3D-gedruckten Teils aufgebaut werden. Wenn eine spezielle Fläche glatter sein soll, sollte das Teil so orientiert werden, dass die Fläche so vertikal wie möglich ist (bezogen auf das Druckbett).

7. Maßabweichungen

In der additiven Fertigung geben Maßabweichungen an, welche Abweichungen vom ursprünglichen 3D-Modell akzeptabel sind oder erwartet werden. Anders gesagt: sie beschreiben, wie sehr der 3D-Druck dem digitalen Modell ähnelt. Wenn Sie Teile für den 3D-Druck entwerfen, sollten Sie unbedingt diese Maßabweichungen berücksichtigen, da der Druckprozess zu Ungenauigkeiten führen kann.

Stützstrukturen können zu höheren Abweichungen führen, wenn sie bei ihrer Entfernung eine zu raue oder verzogene Druckfläche hinterlassen. Es ist sehr wichtig, Maßabweichungen zu verstehen, da sie bestimmen, wie gut ein Teil sitzt und seine vorgesehene Funktion erfüllt. Ein deutlich zu klein gefertigtes 3D-gedrucktes Teil kann zum Beispiel beim Einsatz in eine andere Struktur wackeln, während ein zu groß gedrucktes Teil schwierig zu montieren sein oder übermäßigen Verschleiß verursachen könnte.

Die möglichen Toleranzen für ein 3D-gedrucktes Teil sind abhängig von der Präzision des 3D-Druckers, seiner Komponenten, und dem verwendeten Material. Eine präzise Fertigung kann durch inkorrekte Kalibrierung des Druckers oder starke Vibrationen während des Drucks beeinträchtigt werden. Die erreichbaren Toleranzen hängen auch von Düsendurchmesser und Schichthöhe ab. Eine 0,6 mm-Düse kann kleinere Toleranzen erreichen als eine 2 mm-Düse. Höhere Schichthöhen führen zu einer gröberen Oberflächenauflösung, was die möglichen Toleranzen des 3D-gedruckten Teils beeinträchtigt.

8. Infill

Die Füllung bzw. Infill ist eine 3D-gedruckte Innenstruktur, meist in Gitterform, die das Innere eines 3D-gedruckten Teils ausfüllt. Die Art und Dichte der Füllung werden während des Slicings festgelegt, aber es ist hilfreich zu wissen, welche Füllung benötigt wird wenn Sie Ihr Teil entwerfen.

Die Füllung erfüllt zwei Funktionen: sie verstärkt das Teil, und sie stützt die oberen Schichten bei bestimmten Geometrien. Die Füllung kann in einer Vielzahl von Mustern gedruckt werden, wie z.B. Gitter, Dreieck und Gyroid; ihre Dichte hängt von den Slicereinstellungen ab, und reicht von 0-100%. Mit einer Füllung von 0% wird das Teil leichter und kann schneller gedruckt werden, aber es wird auch weniger fest. Es ist eigentlich nie notwendig, eine 100%-Füllung zu drucken, weil die Füllung ein Teil ab einem gewissen Prozentsatz nur vernachlässigbar stärkt. Die zweite Funktion der Füllung, nämlich die oberen Schichten zu stützen, ist nur für manche Geometrien relevant. Wenn der obere Bereich kleiner ist als eine typische Brücke, dann wird keine Füllung benötigt, solange sie nicht für die Festigkeit notwendig ist. In der Praxis brauchen die meisten 3D-gedruckten Teile eine Füllung, die die oberen Schichten stützt. Die nötige Fülldichte für die oberen Schichten hängt von der Anzahl an oberen Schichten, den Maschineneigenschaften und dem verwendeten Material ab. Wenn ein 3D-gedrucktes Teil nur eine obere Schicht hat, können die gedruckten Füllwände einsacken; dies lässt sich mit zusätzlichen Schichten kompensieren, sodass die oberste Schicht das erwünschte Erscheinungsbild aufweist.

Die korrekten Einstellungen hängen von Ihren Projektanforderungen ab. Für ein Objekt mit niedriger Festigkeit können Sie z.B. die Fülldichte reduzieren, um Zeit zu sparen. In einem DfAM-Entwurf sollte die Füllung so stark wie für die Festigkeit erforderlich sein, und das bei möglichst geringem Materialeinsatz. Dies reduziert das Gewicht des Teils sowie die Gesamtkosten für den Druck.

Wenn möglich, können Sie die Geometrie Ihres Teils ändern, um den Bedarf an Füllung zu reduzieren oder die Füllung ganz wegzulassen. Dies ergibt einen schnelleren 3D-Druck, bessere Oberflächenqualität und weniger Materialverbrauch.

Testen und Validieren Sie Ihr Design

Wenn Sie den DfAM-Prinzipien folgen, können Sie den Erfolg Ihres Designs vor und nach dem Drucken bewerten.

DfAM Software

Eine „Design-for-Manufacturing“-Software wie DFM Pro kann feststellen, ob die DfAM-Regeln befolgt wurden. Die Software identifiziert mögliche Fertigungsprobleme mit dem 3D-Teil und schlägt Lösungen vor. Automatische Lösungen sind ebenfalls möglich.

FEA Software

Mit einer FEA-Software (Finite Element Analyse) können Sie die mechanischen Eigenschaften Ihres Designs vor dem Druck prüfen. Sie können Ihr Design mithilfe von DfAM-Richtlinien, KI und/oder spezieller Software anpassen, um die Parameter in Ihrem digitalen 3D-Modell zu verbessern.

Test Printing

Wenn Ihr 3D-Drucker kalibriert und funktionsfähig ist, können Sie das Teil damit drucken, um den Erfolg Ihres Designs zu prüfen, und den Prozess so oft wie nötig wiederholen. Die Fähigkeit, auf einfache Weise Testobjekte zu drucken, zu bewerten, umzukonstruieren und wieder zu drucken ist ein riesiger Vorteil der AM.

Grenzen des DfAM

Obwohl DfAM viele Vorteile hat, gibt es immer noch Einschränkungen, die von dem spezifischen 3D-Drucker, dem Material oder der 3D-Druckanwendung abhängen. Die DfAM-Richtlinien können einen 3D-Druck zwar verbessern, doch sie können es nicht kompensieren, wenn bereits anfängliche Fehler im Entwurf die Gesamtfunktionalität eines Teils beeinträchtigen.

DfAM kommt auch nicht gegen menschliches Versagen an. Einerseits kann man mit Expertise die Qualität und das Ergebnis positiv beeinflussen. Andererseits kann Erfahrung ohne die Unterstützung von Algorithmen oder KI nicht alles erreichen, insbesondere bei der Betrachung neuartiger Problemstellungen. Die Notwendigkeit, Designiterationen zu erstellen und drucken kann die Kosten erhöhen und Zeitpläne verzögern. Wenn die Zeit für Designiteration begrenzt ist, kann durch Software (z.B. DFM oder FEA) und Hardware (3D-Scanner) die Wahrscheinlichkeit von Fehlern reduziert werden. Hier können jedoch zusätzliche Werkzeuge und Softwarekompetenzen nötig werden.

Eine Kritik an DfAM ist, dass strikte Designregeln homogenere Designs zur Folge haben, die weniger originell und innovativ sind. Andererseits eröffnet die additive Fertigung eine ganze Welt an Designmöglichkeiten, die mit anderen Produktionsmethoden niemals möglich wären.

Ergebnis

DfAM ist eine mächtige Sammlung an Designwerkzeugen, mit denen das Endergebnis der additiven Fertigung verbessert werden kann. DfAM ist entscheidend für Effizienz und Kontinuität im Design für den 3D-Druck. Für den industriellen 3D-Druck ist DfAM besonders wichtig, da dadurch bessere, leichtere und robustere Produkte entstehen. In vielen Fällen kann DfAM auch optische Vorteile bringen, um wunderschöne und hochqualitative 3D-Drucke zu produzieren. DfAM ist ein sich stets entwickelnder Satz an Regeln und Best Practices, und kann für spezielle Designaufgaben oder sich entwickelnde 3D-Drucktechnik angepasst werden.

Lernen Sie mehr hier!

Redmond Bacon

ITERATE FAST. PRODUCE FASTER. GET TO MARKET FASTEST.

The BigRep PRO is a 1 m³ powerhouse 3D printer, built to take you from prototyping to production. It provides a highly scalable solution to manufacture end-use parts, factory tooling or more with high-performance, engineering-grade materials. Compared with other manufacturing and FFF printing solutions, the PRO can produce full-scale, accurate parts faster and at lower production costs.

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3D Druck Mit Kohlefaser: Wie Man Starke Bauteile 3D-Druckt

Januar 26, 2023Januar 24, 2023

3D-Druck Mit Kohlefaser: Wie Man Starke Bauteile 3D-Druck

Die Zugabe von Kohlenstofffasern in Filamenten verbessert sowohl die Festigkeit als auch die Steifigkeit. Die zusätzliche Festigkeit und erhöhte Steifigkeit durch die zugeführten Fasern führt zu einem besseren Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, wodurch leichtere, stärkere Teile in geringerer Druckzeit entstehen.

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie Carbonfaser für Ihr Unternehmen von Nutzen sein kann und lernen Sie mehr über die einzigartigen Eigenschaften von CF-Filamenten.

Was sind Carbonfaser-Filamente?

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFRP) vereinen die Qualitäten und Leistungseigenschaften von Carbonfasern mit dem Polymermaterial, das sie verstärken. Die Druckbarkeit und einfache Verwendung eines Standard-Thermoplasts wie PLA, ABS oder PET wird durch die Zugabe von geschnittenen oder kontinuierlichen Kohlenstofffasern verbessert.

Geschnittene Fasern werden meist für die industrielle Produktion und auch für den 3D-Druck verwendet. Diese Kohlenstofffasern dienen als "Füllmaterial" in thermoplastischen Materialien für den Spritzguss oder als Kohlenstofffaserfilamente für den Einsatz in 3D-Druckern. Sie können wie jedes andere thermoplastische Material verarbeitet werden. Sie haben jedoch zusätzliche Anforderungen, die später erläutert werden.

Beim FFF-3D-Druck (Extrusionsverfahren) werden geschnittene Kohlenstofffasern verwendet. Diese kleinen Fasern werden als Verstärkungsmaterial in einen Standardthermoplast gemischt.

Warum Sie Kohlenstofffaser-3D-Druck benötigen

Industrielle Anwendungen erfordern oft spezifische mechanische Eigenschaften und eine fein abgestimmte Präzision. Durch die Kombination der Fähigkeiten eines hochfesten Werkstoffs mit den vielen Vorteilen der additiven Fertigung bietet der 3D-Druck von Kohlenstofffasern eine außergewöhnliche Dimensionsstabilität für starke, steife Bauteile mit einer feinen Oberflächenbeschaffenheit und einer hohen Wärmeformbeständigkeit - ideal für den funktionale, leistungsstarke Einsatz.

Da der 3D-Druck immer weiter in die Endproduktion vordringt, wird die Möglichkeit, sowohl Teile als auch Werkzeuge aus Carbonfaserfilamenten herzustellen, immer gefragter.

Ganz gleich, ob Kohlefasern in Formen, Vorrichtungen, Werkzeugen oder Hochleistungsrennwagen, Spezialausrüstungen für die Luft- und Raumfahrt oder professionelle Radsportausrüstungen verwendet werden, mit Carbonfaser-3D-Druck-Filamenten können Sie die hochfesten Bauteile herstellen, die Sie benötigen. Als relativ neues Angebot in der Fertigungsindustrie hat der 3D-Druck von Kohlenstofffasern natürlich viele Vorteile, aber es lohnt sich auch, die Druckanforderungen zu kennen, bevor Sie damit starten.

Dieses Muster wurde mit BigRep Hi-Temp CF gedruckt und wird zur Herstellung von Drohnenbauteilen aus Kohlefaser-Prepreg verwendet.

Vorteile des 3D-Drucks mit Kohlenstofffasernverstärkten Filamenten

Die Vorteile des 3D-Drucks mit Kohlenstofffasern liegen in den Leistungseigenschaften:

Hohe Festigkeit

Die vielleicht am meisten angepriesene Eigenschaft von Carbonfaser-3D-Druckerfilament ist die hohe Festigkeit, die den Schlüssel zu seiner Leistung - und seiner Attraktivität als 3D-Druckmaterial - darstellt. Kohlefaser bietet ein Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das eine hohe Leistung bei geringer Dichte ermöglicht.

FORMBESTÄNDIGKEIT

Die hohe Festigkeit und Steifigkeit der Kohlefaser verringert die Tendenz zur Formschwindung und trägt so zu ihrer hervorragenden Dimensionsstabilität bei, die für Bauteile, die präzise Abmessungen und enge Toleranzen erfordern, unerlässlich ist.

GERINGES GEWICHT

Hand in Hand mit seiner Festigkeit geht das geringe Gewicht eines 3D-Druckerfilaments aus Kohlefaser. Geringes Gewicht ist ein Hauptvorteil des 3D-Drucks im Allgemeinen, und die Verwendung von Kohlefasermaterialien ermöglicht diese Gewichtsreduzierung ohne Verlust an leistungsfähiger Stärke.

HOHE WÄRMEFORMBESTÄNDIGKEIT

Im Vergleich zu Standard-3D-Druckmaterialien wie PLA, ABS und PETG können Kohlefasern wesentlich höheren Temperaturen standhalten. Kohlefaserverbundwerkstoffe - wie PA12 CF von BigRep - erhöhen die Wärmeformbeständigkeit des Basismaterials für eine bessere Leistung bei erhöhten Temperaturen.

GERINGERE NACHBEARBEITUNG ERFORDERLICH

CF-Filamente machen Schichtlinien weniger auffällig. Dadurch erhalten Sie eine bessere Oberflächenqualität und Haptik, wodurch Nachbearbeitungen wie Schleifen entfallen.

Steifigkeit

3D-gedruckte Kohlefaserteile behalten auch bei hoher Belastung ihre Form. Im Gegensatz zu anderen Materialien, bei denen Festigkeit und Haltbarkeit gegen Steifigkeit eingetauscht werden, gewährleistet die Steifigkeit von Kohlenstofffasern strukturelle Integrität.

Anforderungen für die Arbeit mit Kohlefaserfilamenten

Kohlefaser-Filament ist abrasiver als viele andere typischen Desktop- Materialien und hat spezifische Wärmeanforderungen. Da es sich hierbei oft um neue technische Materialien handelt, kann man sie nicht einfach gegen Standard-3D-Drucker-Filament austauschen und erwarten, dass sie mit den gleichen Einstellungen gedruckt werden können.

Beheiztes Druckbett

Hand in Hand mit einer geschlossenen 3D-Druckumgebung geht ein beheiztes Druckbett, das entscheidend dafür ist, dass die erste Druckschicht auf dem Druckbett haftet. Ohne diese solide Grundlage kann die Qualität der übrigen Druckschichten beeinträchtigt werden.

Ausgehärtete Düse

Im Laufe der Zeit – die von einem bis zu wenigen Druckaufträgen variieren kann – wird Kohlefaser-Filament aufgrund seiner Abrasivität eine Standard-3D-Druckdüse abnutzen. Eine Düse aus Messing beispielsweise verformt und erodiert beim Extrudieren dieser Materialien und wird schließlich funktionsunfähig. Eine Düse aus gehärteten Stahl ist eine Voraussetzung für einen 3D-Drucker, um CF-Filament zu verarbeiten.

Natürlich müssen Designer, Ingenieure und Bediener, die an einem CF-Projekt arbeiten, alle gut in den Anforderungen für die Arbeit mit Kohlefaserfilamenten geschult sein. Schulung und Fortbildung müssen bei der Einführung von CF-Filamenten in den Betrieb berücksichtigt werden.

Druckausrichtung

Die Zugabe von CF erhöht die Zugfestigkeit, kann aber bei falscher Handhabung zu einer Verringerung der Schichthaftung führen. Um die geringe Duktilität des Materials auszugleichen, richten Sie das Bauteil in Richtung der Spannung oder Belastung aus. Dies kann während der Ausrichtung des Teils in einer Slicing-Software wie BLADE angepasst werden.

Composite Form 3D-gedruckt aus Kohlefaser-Filament

Wo werden CF-Filamente verwendet?

Der 3D-Druck von Kohlenstofffasern wird dank seines guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und seiner Gesamtsteifigkeit am besten in der Fertigung eingesetzt. Zu den wichtigsten Anwendungen dieser Materialien gehören die Herstellung von Formen, Vorrichtungen und Werkzeugen.

Verbundwerkstoff-Formen und Thermoform-Formen

3D-gedruckte Formen sind eine der besten Möglichkeiten, wie moderne und traditionelle Fertigungstechnologien in der Ferigungsindustrie zusammenarbeiten. 3D-gedruckte Formen verbinden die Komplexität und Produktionsgeschwindigkeit des 3D-Drucks mit den Massenproduktionsfähigkeiten der formgebundenen Fertigung. Wenn es um Verbundwerkstoffformen und Tiefziehformen geht, sind die Leistungseigenschaften von CF-Materialien eine natürliche Ergänzung.

Formen aus Verbundwerkstoffen sind eine der gängigsten Fertigungsmethoden, um kostengünstig große Mengen identischer Teile herzustellen. Wie der Name schon sagt, werden Verbundwerkstoffformen aus Verbundwerkstoffen hergestellt, die komplexe Formen annehmen können und einer wiederholten Verwendung standhalten - und das zu deutlich geringeren Kosten als Aluminium- oder Stahlformen.

Thermoformwerkzeuge verwenden Wärme und Druck, um eine flache thermoplastische Platte in eine Form zu bringen. Dabei wird die Platte durch Konduktion, Konvektion oder Strahlungswärme erhitzt, bevor sie an die Oberfläche der Form angepasst wird. Thermoformwerkzeuge müssen wiederholter Höhsttemperaturen standhalten, was besondere Leistungsmerkmale erfordert, die durch CF-Werkstoffe gut erfüllt werden können.

Vorrichtungen, Werkzeugbau

Halterungen, Vorrichtungen und Werkzeuge, die beim Fräsen, Bohren und anderen subtraktiven Vorgängen verwendet werden, werden oft als Ergänzung zu Herstellungsprozessen angesehen – aber für sich genommen unerlässlich sind. Halterungen und Vorrichtungen werden verwendet, um bestimmte Teile während der verschiedenen Phasen ihrer Herstellung an Ort und Stelle zu halten, und Werkzeuge werden durchgehend verwendet.

Diese wichtigen Hilfsmittel sind oft am besten geeignet, wenn sie an die jeweilige Anwendung angepasst sind, und können durch häufigen Gebrauch abgenutzt werden. Aus diesen Gründen werden Vorrichtungen und Werkzeuge zunehmend vor Ort in 3D gedruckt. Sie können an den jeweiligen Einsatz angepasst und bei Bedarf reproduziert werden, ohne dass man sie auslagern oder auf einen neuen Vorrat warten muss.

3D-gedruckte Vorrichtungen und Werkzeuge aus verstärkten Materialien wie CF-Filamenten halten länger und sind leistungsfähiger - vor allem in Bezug auf die Langlebigkeit. Hier erfahren Sie mehr darüber, wie Sie das kostspielige CNC-Fräsen-Verfahren durch flexible, kostensparende Lösungen für die Kleinserienfertigung ersetzen können.

Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Gestaltungsfreiheit von Kohlefaser ermöglicht es Ihnen, komplexe Geometrien zu realisieren, die mit herkömmlichen Methoden nicht wirtschaftlich sind. Diese Designfreiheit ermöglicht es Ihnen, schnell zu iterieren und dann aufgrund der erhöhten Steifigkeit und Temperaturstabilität funktionalere Prototypen zu erstellen. Die verbesserte Ästhetik des Objekts, einschließlich der durch 3D-Druck erreichten komplexen Krümmung und der besseren Oberflächenqualität mit CF-Filamenten, kann Innovationen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und anderen verwandten Branchen ermöglichen.

BigRep PA12 CF und HI-TEMP CF

BigRep bietet zwei kohlenstoffgefüllte Filamente an: PA12 CF, eine Nylon-Kohlenstofffaser und HI-TEMP CF, ein biobasiertes, kohlenstofffasergefülltes Polymer. Der entscheidende Unterschied zwischen diesen beiden kohlenstofffaserverstärkten Filamenten besteht darin, dass HI-TEMP CF weniger hohe Anforderungen an die Hardware stellt. HI-TEMP CF ist für mehrere Drucker geeignet, darunter der ONE, der STUDIO und der PRO, während PA12 CF für industrielle Anwendungen auf dem PRO geeignet ist.

Wenn Sie die beste Leistung wünschen, sollten Sie ein PA12 CF-Filament verwenden. PA12 CF weist eine höhere Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Wärmeformbeständigkeit auf und eignet sich daher gut für Anwendungen, die eine höhere Haltbarkeit und höhere Lebensdauer für anspruchsvolle industrielle Fertigung erfordern.

Der Ausgleich für die höhere Steifigkeit und Biegefestigkeit von HI-TEMP CF und da es im Vergleich zu PA12 CF leichter zu handhaben ist, ist eine leichte Verringerung der Schlagzähigkeit und der Wärmeformbeständigkeit. Dadurch eignet es sich besser für Anwendungen, die keiner Schlagbeanspruchung ausgesetzt sind, bei denen aber dennoch eine gewisse Formstabilität unter Belastung erforderlich ist. Diese erhöhte Steifigkeit und Biegefestigkeit wird durch HI-TEMP CF erreicht.

Unabhängig davon, für welches Filament Sie sich entscheiden, können Sie die vielen Vorteile von kohlefasergefüllten Materialien nutzen, um die Leistung Ihrer Anwendungen zu steigern. Obwohl diese Materialien speziell für den Großformatdruck auf BigRep-Maschinen entwickelt wurden, sind sie mit vielen anderen 2,85-mm-Druckern mit einer gehärteten Düse kompatibel.

HI-TEMP CF

Carbonfaser Verstärkt und Hitzebeständig

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PA12 CF

Steife und Starke Carbon Faser

Mehr Erfahren

Fazit

Wenn Sie sich für den 3D-Druck von Kohlenstofffasern entscheiden, lassen Sie sich auf ein Projekt ein, das die Einhaltung von Parametern und speziellen Geräten und Anforderungen erfordert. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, können Sie erstklassige, leichte, haltbare und funktionelle Bauteile herstellen, die einer Vielzahl von industriellen Anwendungen standhalten, und zwar mit der ganzen Komplexität des Designs, die der 3D-Druck zu bieten hat. Setzen Sie sich noch heute mit unseren BigRep-Experten in Verbindung, um zu erfahren, wie CF-Filamente zur Verbesserung Ihrer Produktionsmöglichkeiten beitragen können.

DER PROFESSIONELLE 3D-DRUCKER FÜR DIE INDUSTRIE

Der BigRep PRO ist ein Großformat-3D-Drucker, der auf hohe Produktivität in der industriellen Fertigung ausgelegt ist. Für Ingenieure und Hersteller bildet der 3D-Drucker eine in hohem Maße skalierbare Lösung, mit dem Teile und Produkte für den Endverbraucher oder Fertigungswerkzeuge aus technischen Hochleistungswerkstoffen effizient hergestellt werden können. Mit einem großzügigen Bauvolumen von 1 m³ trägt dieser schnelle und zuverlässige 3D-Industriedrucker zur Beschleunigung Ihrer Produktion bei.

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DER PROFESSIONELLE 3D-DRUCKER FÜR DIE INDUSTRIE

Der BigRep PRO ist ein Großformat-3D-Drucker, der auf hohe Produktivität in der industriellen Fertigung ausgelegt ist. Für Ingenieure und Hersteller bildet der 3D-Drucker eine in hohem Maße skalierbare Lösung, mit dem Teile und Produkte für den Endverbraucher oder Fertigungswerkzeuge aus technischen Hochleistungswerkstoffen effizient hergestellt werden können. Mit einem großzügigen Bauvolumen von 1 m3 trägt dieser schnelle und zuverlässige 3D-Industriedrucker zur Beschleunigung Ihrer Produktion bei.

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Redmond Bacon

Welche Vorzüge bietet die Autokalibrierung?

Januar 20, 2023

Benutzer von FFF-basierten 3D-Druckern kennen das Problem: vor dem Druck steht die Kalibrierung des Druckers. Um einwandfreie Druckergebnisse zu bekommen, müssen das Druckbett und der bzw. die Extruder korrekt eingestellt sein. Dies dient einerseits dazu, Maßabweichungen soweit wie nur irgendwie möglich zu eliminieren. Andererseits verhindert z.B. ein korrekt eingestellter Abstand der Düse zum Druckbett auch ein ungewolltes Ablösen des gedruckten Objekts während des Druckvorgangs.

Je nach Druckertyp, der Maschinenausstattung und dem jeweiligen Anwendungsfall ist diese Kalibrierung ein mehr oder weniger komplexer Vorgang. Sie erfordert Wissen und Erfahrung mit der Maschine, ist zeitraubend und damit kostspielig. Insbesondere bei häufigen Materialwechseln oder einem Umstieg zwischen einem Betrieb mit und ohne Dual Extrusion kann die Kalibrierung zu einem signifikanten zeitlichen Faktor werden. Um dem Rechnung zu tragen, verfügt der neue BigRep PRO über eine Funktion zur automatischen Kalibrierung. Sie nimmt Ihnen diese aufwendigen Tätigkeiten auf Knopfdruck ab, und Sie sparen damit Zeit und Geld.

Die Autokalibrierung des BigRep PRO - Wie funktioniert sie?

Der erste Schritt zu einem ordnungsgemäß kalibrierten BigRep PRO ist die Bettnivellierung. Diese lässt sich mit Hilfe der "Bed Level"-Funktion durchführen. Der Sensor vermisst eine Anzahl von Punkten auf dem Druckbett, und der Bediener wird über die Benutzeroberfläche über das Ergebnis der Messung informiert. Abweichungen lassen sich dann durch Verstellen der Einstellschrauben unter dem Druckbett korrigieren. Die Bettnivellierung muss nur in besonderen Fällen durchgeführt werden, wie beispielsweise bei der Ersteinrichtung, oder bei einer halbjährlichen Wartung.

Vor dem Druck übernimmt der BigRep PRO dann mehrere Kalibrieraufgaben. Das ist zum einen das Bed Mapping, das auch während der Bettnivellierung zum Einsatz kommt. Hier stellt der ein Sensor sicher, dass der Abstand der Druckdüse(n) zum Bett über die gesamte Fläche des Druckbetts gleich ist. Der PRO kann dann die Schichtdicke automatisch anpassen, um erfasste Abweichungen auszugleichen. Dies ist insbesondere für eine perfekte erste Druckschicht von Bedeutung, die wiederum essentiell für die Haftung des Objekts auf dem Druckbett und damit für einen erfolgreichen Druck ist. Gerade bei den Abmaßen des BigRep PRO lässt sich auf diese Weise viel Zeit einsparen. Ohne eine präzise Kalibrierung wird eine erste Schicht oft überextrudiert, um die Haftung des Drucks auf dem Druckbett sicherzustellen. Dies führt aber zu Qualitätseinbußen, wie in der untenstehenden Darstellung zu sehen ist.

Der linke Druck ist überextrudiert. Beim rechten Druck konnte aufgrund der Druckerkalibrierung die genau richtige Extrusionsrate verwendet werden.

Zum anderen kalibriert der PRO den Abstand der beiden Extruder zueinander. Wenn die Vorzüge der Dual Extrusion genutzt werden sollen, dann ist diese Ausrichtung von höchster Bedeutung. Nur wenn der Steuerungssoftware der exakte Abstand der Extruder zueinander bekannt ist, lassen sich jeweils auch genau aufeinander ausgerichtete Strukturen drucken. Wird dieser Kalibrierschritt manuell durchgeführt, dann kostet das nicht nur viel Zeit. Die automatische Kalibrierung ermöglicht zudem eine Präzision, die der manuellen deutlich überlegen ist.

Wie funktioniert die Bettkalibrierung?

Ein Druckbett, das meist aus einer massiven Aluminiumplatte besteht, kann immer nur annäherungsweise vollkommen eben sein. Zudem verformt es sich bei Erwärmung; dies ist bei allen FFF-Druckern der Fall. Allerdings spielt die Abweichung von der ideal ebenen Fläche eine umso stärkere Rolle, je größer das Druckbett ist. Da 3D-Drucker von BigRep - wie beispielsweise der BigRep PRO - zu den größten auf dem Markt erhältlichen Maschinen zählen, ist hier also eine möglichst perfekte Kalibrierung von größter Bedeutung.

Mit Hilfe des Sensors wird ein Netz an Messpunkten über die gesamte Fläche des Druckbetts erfasst. Die relative Höhe des jeweiligen Messpunktes über einer theoretischen idealen Fläche wird automatisch in der Software hinterlegt. So wird der Drucker in die Lage versetzt, die Höhe des Druckkopfs zu jedem Zeitpunkt und an jeder Stelle des Druckbetts in entsprechender Weise anzupassen. Das Ergebnis: eine perfekte erste Schicht mit konstanter Materialdicke und idealem Haftverhalten des Materials.

Das Funktionsprinzip der Abstandsmessung hat einen direkten Einfluss auf die präzise und zuverlässige Ausführung der Kalibrierung. BigRep setzt beim PRO auf eine induktiv-mechanische Abtastung der Oberfläche. Sie ist im Vergleich zu den häufig verwendeten rein induktiven oder optischen Verfahren unabhängig von Aussehen, Material und Beschaffenheit der Oberfläche und erlaubt auch die Erfassung gedruckter Strukturen.

Ein Sensor erfasst das Druckbett und misst dabei kleinste Abweichungen von der idealen Form. Diese Messungen werden verwendet, um die Druckschichten dementsprechend anzupassen.

Wie funktioniert die Kalibrierung der Extruder?

Es gibt einige Szenarien, bei denen der Einsatz zweier Extruder nützlich - oder sogar erforderlich - ist.

Beim Drucken mehrerer identischer Teile zur gleichen Zeit
Hierbei lässt sich die Tatsache ausnutzen, dass sich beide Extruder auf einem Schlitten parallel bewegen. Dadurch lässt sich die Fertigungsdauer je Teil halbieren, die Produktivität steigt.
Beim Drucken eines Bauteils mit Hilfe eines Stützmaterials
Da hier Haupt- und Stützmaterial von unterschiedlichen Extrudern verarbeitet werden, kann man auf unterschiedliche Materialien zurückgreifen und beispielsweise ein stabiles Haupt- mit einem wasserlöslichen Stützmaterial kombinieren.
Beim Drucken zweier unterschiedlicher Hauptmaterialien im selben Bauteil
Dieses Vorgehen erlaubt es, chemisch identische Materialien mit verschiedenen Farben zu kombinieren, um optisch erwünschte Effekte zu erzielen. Alternativ können so auch die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von Materialien ideal zur Anwendung gebracht werden.

Im ersten Fall spielt die exakte Ausrichtung der Extruder zueinander noch eine untergeordnete Rolle, da sie lediglich die Position zweier parallel erstellter Objekte auf dem Druckbett beeinflusst. Diese werden für gewöhnlich ohnehin mit ausreichend Abstand gedruckt, und die genaue Einhaltung dieses Abstands hat keine Auswirkung auf die Druckqualität.

In den Fällen 2 und 3 sieht das anders aus. Da "im gleichen Bauteil" gedruckt wird, ist ein eventueller Versatz der von den jeweiligen Extrudern erzeugten Materialstränge sofort sichtbar und spürbar. Die Folgen bei Verwendung von Stützmaterial: mangelhafte Funktion des Supports mit den üblichen Folgen, wie z.B. unsaubere Überhänge und eingefallene horizontale Flächen. Wird mit unterschiedlichen Hauptmaterialien gearbeitet, dann kann eine fehlerhafte Extruderkalibrierung zu einer schlechteren Verbindung der Materialien führen. Zudem ergeben sich nachteilige Auswirkungen auf Optik und Maßhaltigkeit. Auch hier gilt: je größer der Druck, umso stärker fallen diese Abweichungen ins Gewicht, und umso kostspieliger ist ein möglicherweise erst spät im Druckvorgang erkannter Fehler.

Ein Sensor vermisst die gedruckten Strukturen, um die Position der beiden Extruder vor dem Druck zu kalibrieren.

Auf Knopfdruck vermisst der BigRep PRO gedruckte Materialbahnen und errechnet daraus die relativen Positionen der Extruder. Auf diese Weise lassen sich Fehlerketten in der Messung weitgehend ausschließen. Der Ablauf ist dabei im Grunde recht simpel:

Durch Extrusion mit Extruder 1 und 2 werden zwei zueinander versetzte Muster erzeugt. Nun fährt der induktiv-mechanische Sensor die gedruckten Strukturen ab und ermittelt auf diese Weise deren Abstand zueinander sowohl in X- als auch in Y-Richtung. Diese Werte sind nun in der Maschinensteuerung hinterlegt und werden verwendet, um bei der Dual Extrusion ein Höchstmaß an Genauigkeit zu erreichen. Nach dem Abschluß der Kalibrierung ist der Drucker dann in der Lage, hochpräzise Bauteile zu drucken.

Kontaktieren Sie uns, wenn Sie mehr über die Autokalibrierung des BigRep PRO erfahren wollen!

ITERATE FAST. PRODUCE FASTER. GET TO MARKET FASTEST.

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About the author:

Michael Eggerdinger

Business Manager Materials

Michael is a toolmaker, a mechanical engineer, and a patent engineer. His years of working in manufacturing and as a project manager in various industries provide him with a profound knowledge of the main challenges in modern production processes. In 2017, he bought his first 3D printer to be used at home, and he has been hooked ever since!

3D-Druck spart Zeit und Geld in der Entwicklung bei Airbus

Januar 10, 2023Januar 9, 2023

Obwohl Flugzeuge eigentlich Flugmaschinen voller Technik sind, nehmen Fluggäste sie meist als enge, wenn auch einigermaßen bequeme Reiseumgebungen wahr. Die Innenraumverkleidung verbirgt die Stellteile, Kabel, und elektrischen und mechanischen Systeme in den Flugzeugwänden. Zudem schirmt sie funktionelle Komponenten von den Passagieren ab und prägt gleichzeitig das allgemeine Erscheinungsbild des Kabineninnenraums. Diese Verkleidung ist meist aus glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen gefertigt, weil sie sowohl leicht als auch fest und tragfähig sein muss.

Große Bauteile benötigen traditionell teure Produktionstechniken

Normalerweise muss jede Version einer Abdeckung oder Verkleidung als Formteil produziert werden. Dazu werden mit Harz getränkte Glasfasermatten auf einer Form abgelegt und dort ausgehärtet. Das ist ein langwieriger Prozess, der für große Blenden sechs bis acht Wochen beanspruchen kann. Zusätzlich fallen durch den hohen Anteil an Handarbeit erhebliche Kosten an.

Den Ingenieur*innen wurde schnell bewusst, dass der BigRep ONE in vielen anderen Bereichen der Forschung und Entwicklung genutzt werden könnte.

In der Produktentwicklung muss jede Entwurfsiteration bewertet und verbessert werden, bis die beste Lösung gefunden ist. In manchen Fällen können Entwürfe mithilfe von Software evaluiert werden. Es gibt jedoch viele Situationen, in denen ein physischer Prototyp benötigt wird, um unter anderem die Baugröße, Passform, Leistung und Ästhetik richtig bewerten zu können. Zusätzlich ist es mit einem physikalischen Objekt möglich, Aufbau- und Befestigungsprozesse zu testen.

Um einen Prototypen für Flugzeugkabinenverkleidung herzustellen, musste man früher erst eine Form mittels CNC-Bearbeitung produzieren, dann den Glasfaserwerkstoff von Hand auflegen, und danach die Oberfläche bearbeiten. Airbus hat meist die CNC-Bearbeitung extern vergeben, und musste deshalb wochenlang warten, bevor der Glasfaserprozess überhaupt anfangen konnte. Da für jede neue Iteration auch eine neue Form benötigt wird, ist dieser Prozess extrem langwierig und teuer. Oft wurden Prototypen gar nicht erst hergestellt, so dass Ingenieur*innen keine Gelegenheit hatten, Entwürfe zu verbessern, bevor das Endprodukt produziert wurde.

Airbus 3D Printing Airplane Cabin Panels

3D-Druck spart Zeit und Geld in der Entwicklungsphase

Hoch funktionelle Teile wie Flugzeugtüren benötigen eine technisch ausgefeilte Verkleidung, die technische Leistung mit ästhetischer Erscheinung kombinieren. Die Scharniere brauchen z.B. Abdeckungen, die zum Design der Kabine passen, aber gleichzeitig spezielle Leistungs- und Sicherheitsmaßstäbe erfüllen. Da die traditionelle Glasfaserkonstruktion für Flugzeugkabinen langsam und teuer ist, kann der Hersteller die Entwürfe nur bedingt iterieren und verbessern.

Airbus hat meist die CNC-Bearbeitung extern vergeben, und musste deshalb wochenlang warten, bevor der Glasfaserprozess überhaupt anfangen konnte.

Airbus hat dieses Problem gelöst, und zwar mit einem BigRep ONE 3D-Drucker, den das Unternehmen eigentlich für die Hubschrauberentwicklung gekauft hatte. Den Ingenieur*innen wurde schnell bewusst, dass der BigRep ONE in vielen anderen Bereichen der Forschung und Entwicklung genutzt werden könnte. Sie fingen an, Prototypen von Komponenten für Flugzeuginnenräume zu drucken. Die Ingenieur*innen bei Airbus hatten zwar schon Erfahrung mit der additiven Fertigung auf kleinformatigen Druckern, waren jedoch beeindruckt von den vielen Vorteilen des großen BigRep ONE: mit einem Bauraum von einem Kubikmeter war es ihnen nun möglich, Prototypen von Verkleidungen, Auskleidungen und Abdeckungen in voller Größe zu drucken.

Wie profitiert Airbus vom großformatigen 3D-Druck mit BigRep?

Mit dem BigRep ONE können die Ingenieur*innen bei Airbus wiederholt Teile 3D-drucken, bewerten und umkonstruieren bis der Entwurf finalisiert ist. Zusätzlich fallen dank des firmeneigenen BigRep 3D-Druckers die langen Vorlaufzeiten und die zusätzliche Logistik für das Outsourcen der Formherstellung weg. Die Verwendung von 3D-gedruckten Teilen in Originalgröße für die Entwurfsiterationszyklen vereinfacht den Prozess erheblich und spart zudem Zeit und Geld.

Für den 3D-Druck der Prototypen von großen Teilen, die akkurat genug sind, um in Flugzeuginnenräume eingebaut zu werden, wählten die Ingenieur*innen bei Airbus das Filament Ultrafuse PRO1 von BASF. PRO1 ist gut zu drucken und ergibt eine schöne Oberflächengüte ohne Verzug. Die Ingenieur*innen bei Airbus stellten fest, dass die Präzision der 3D-gedruckten Prototypen für die definierten Toleranzen ausreichten – vor allem bei großen Teilen – und dass sie deswegen zuverlässig Entwürfe kreieren und testen konnten, die dem fertigen Produkt sehr nahe kamen.

Schon jetzt druckt Airbus ständig Prototypen mit dem BigRep ONE. Nun hat das Unternehmen vor, den Drucker auch in anderen Bereichen zu verwenden. Da es sich gezeigt hat, dass 3D-gedruckte Lösungen viel Geld sparen können, haben die Ingenieur*innen bei Airbus angefangen, kleinformatige 3D-Drucker für einige Tätigkeiten in der Werkzeugrüstung zu verwenden. In Zukunft werden sie den 1-Kubikmeter Bauraum ihres BigRep 3D-Druckers zu nutzen, um großformatige Werkzeugausstattung zu drucken. Hier erfahren Sie mehr über unseren BigRep ONE.

IN DEUTSCHLAND ENTWICKELT – ZUVERLÄSSIGKEIT ZUM ATTRAKTIVEN PREIS

Der BigRep ONE ist ein in Deutschland entwickelter Großformat-3D-Drucker für den Einsatz rund um die Uhr. Bisher wurden über 500 dieser kostengünstigen Systeme installiert, die sich bei Fertigungsunternehmen weltweit als zuverlässig erwiesen haben. Der ONE zeichnet sich durch ein großes Bauvolumen von 1 m³ und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus, sodass Sie Ihre Entwürfe zuverlässig in Originalgröße herstellen können.

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IN DEUTSCHLAND ENTWICKELT – ZUVERLÄSSIGKEIT ZUM ATTRAKTIVEN PREIS

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About the author:

Michael Eggerdinger

Business Manager Materials

Koehler‐Gruppe fördert Innovationen und stellt MakerSpace großformatigen 3D‐ Drucker von BigRep zur Verfügung

Dezember 22, 2022

Die Koehler‐Gruppe fördert bereits seit einigen Jahren Start‐Ups. Erst kürzlich wurde eine strategische Zusammenarbeit mit UnternehmerTUM bekanntgegeben, dem 2002 von Susanne Klatten gegründeten führenden Zentrum für Gründung und Innovation in Europa. Im Rahmen der Start‐ Up Kollaboration überlässt Koehler Invest jetzt dem MakerSpace von UnternehmerTUM der für ein Jahr einen BigRep PRO 3D‐Drucker. BigRep ist eines der weltweit führenden Unternehmen im großformatigen 3D‐Druck zur Beschleunigung von Innovationsprozessen und zur Flexibilisierung und Digitalisierung von Fertigungsprozessen.

Inspiration für die nächste Generation von Erfindern und Start‐Ups

Der MakerSpace von UnternehmerTUM ist eine Hightech‐Werkstatt mit Standorten in Garching und München und fördert Studenten und Profis, Start‐Ups und auch Selbständige durch innovative Fertigungstechnologien. Der BigRep PRO 3D‐Drucker wird im Münchner Urban Colab stehen und folgt damit auf den BigRep ONE, der sich auf dem Campus von UnternehmerTUM in Garching befindet.

Kai Furler, Vorstandsvorsitzender der Koehler‐Gruppe, betont:

„Mit der neuen strategischen Partnerschaft mit Unternehmer‐TUM wollen wir zukunftsweisende Innovationen unterstützen und fördern, insbesondere für unsere Kerngeschäftsfelder Papier und Erneuerbare Energie. Der 3D‐Drucker im Großformat von BigRep wird Start‐ Ups sinnvoll bei neuen Produktinnovationen unterstützen.“

Produktion von Prototypen und Kleinserien ermöglicht

Die Koehler‐Gruppe hat den BigRep PRO erworben und stellt ihn dem Makerspace für den Zeitraum von einem Jahr kostenfrei zur Verfügung. Das für industrielle Anwendungen entwickelte System ermöglicht die Herstellung von Prototypen ebenso wie die Fertigung von größeren Losen von Bauteilen und gibt Erfindern und Entwicklern damit die Möglichkeit, Technologien schneller zu entwickeln und in den Markt zu bringen. Zu den bisherigen Ausgründungen des MakerSpace zählen beispielsweise Curfboard mit ihren Surf‐Skateboards, Vertical Farming von Agrilution und unbemannte Luftfahrzeuge von HORYZN. Mit dem BigRep PRO haben Start‐Ups die Möglichkeit, neue Wege zu beschreiten und Antworten auf die dringlichsten Fragen der Gegenwart zu finden.

Dr. Sven Thate, Geschäftsführer von BigRep dazu:

„Produkt‐ und Entwicklungszyklen werden immer kürzer. Gleichzeitig werden Produkte zunehmend agil durch schnelle Iterationen kontinuierlich verbessert und zur Marktreife gebracht. Unsere großformatigen Lösungen für die additive Fertigung bieten die Flexibilität sowohl Prototypen, Formen z. B. für die Fertigung von kohlefaserverstärkten Bauteilen, aber auch Fertigungshilfsmittel und Kleinserien für die Markteinführung zu drucken.“

Der BigRep PRO bietet eine Vielzahl von automatisierten Funktionen zur einfachen, schnellen und qualitativ hochwertigen Herstellung von großen Kunststoffbauteilen, sowohl mit biobasierten‐ als auch faserverstärkten Werkstoffen. Start‐Ups sowie Erfinderinnen und Erfinder erhalten im MakerSpace eine professionelle Infrastruktur, um in kürzester Zeit eigene Ideen in Prototypen umzusetzen.

Florian Küster, Geschäftsführer der MakerSpace GmbH von UnternehmerTUM sagt:

„Die Ausstattung spart den Teams Zeit und Kosten in der Entwicklung, was das Risiko bei jungen Gründungen verringert. Koehler unterstützt unser Innovations‐Ökosystem erfolgreich und mit dem BigRep PRO freuen wir uns besonders über die neueste Ergänzung für großformatigen 3D Druck in unserem Maschinenpark.“

Am 16. Dezember wurde der 3D‐Drucker in Anwesenheit von Vertretern aller Beteiligten offiziell für ein Jahr an den MakerSpace übergeben. Erfahren Sie hier mehr über den BigRep PRO.

Mehr zur Koehler-Gruppe

Die Koehler‐Gruppe wurde 1807 gegründet und ist von Beginn an bis heute familiengeführt. Das Kerngeschäft der Gruppe liegt in der Entwicklung und Produktion von hochwertigen Spezialpapieren. Dazu zählen unter anderem Thermopapiere, Spielkartenkarton, Getränkeuntersetzer, Feinpapiere, Selbstdurchschreibepapiere, Recyclingpapiere, Dekorpapiere, Holzschliffpappe, Sublimationspapiere und seit 2019 auch innovative Spezialpapiere für die Verpackungsindustrie. In Deutschland verfügt die Koehler‐Gruppe mit ihren rund 2.500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern über fünf Produktionsstandorte, drei weitere befinden sich in den USA. Die Gruppe ist international tätig, der Exportanteil lag 2021 bei 70 %, bei einem Jahresumsatz von rund 1 Milliarde Euro.

Als energieintensives Unternehmen investiert Koehler mit seinem Geschäftsbereich Koehler Renewable Energy in erneuerbare Energieprojekte wie Windenergie, Wasserkraft, Photovoltaik und Biomasse. Die Koehler‐Gruppe hat sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2030 mehr Energie aus erneuerbaren Quellen zu produzieren, als für die Papierproduktion benötigt wird.

Mit dem Geschäftsbereich Koehler Innovative Solutions widmet sich Koehler darüber hinaus der Entwicklung von neuen Geschäftsfeldern, die außerhalb der Spezialpapierproduktion und Energieerzeugung liegen.

Mehr Informationen unter: https://www.koehler.com

Über BigRep

Als eines der weltweit führenden Unternehmen für großformatige FFF‐3D‐Drucker arbeitet BigRep für seine Kunden an Lösungen, um sowohl die Produktivität zu steigern als auch Innovationen zu beschleunigen. BigReps 3D‐Drucker „Made in Germany“ ermöglichen es Ingenieuren, Entwicklern und Fertigungsplanern, in Start‐Ups bis hin zu Großunternehmen, die Geschwindigkeit der Innovationskette vom Prototypenbau bis hin zur Produktionsübertragung zu erhöhen und so neue Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Durch Kooperationen mit Partnern wie BASF und Bosch Rexroth entwickelt BigRep Systemlösungen, die industrielle 3D‐Drucker, intelligente Software, qualifizierte Materialien und Services und Trainings umfassen. BigRep wurde 2014 gegründet und unterhält neben dem Hauptsitz in Berlin Standorte in Boston und Singapur.

Über MakerSpace

MakerSpace ist eine öffentlich zugängliche Hightech‐Werkstatt, die ambitionierten Start‐ups, Do‐It‐Yourself Aktiven und kreativen Menschen Zugang zu Maschinen, Werkzeugen und Software sowie einer kreativen Community ermöglicht. Die Werkstatt wurde 2015 als Tochtergesellschaft von UnternehmerTUM, Europas größtem Zentrum für Innovation und Gründung, eröffnet und bietet einen Ort, an dem Ideen und Innovationen in Form von Prototypen und Kleinserien realisiert werden können. Zur Verfügung stehen unterschiedliche Werkbereiche wie Maschinen‐, Metall‐ und Holzwerkstatt sowie Textil‐ und Elektroverarbeitung. Mit 3D‐Druckern, Laserschneidern und Wasserstrahlschneidemaschinen können neue Formen hergestellt und sämtliche Materialien bearbeitet werden. Zur Unterstützung und Vernetzung bietet MakerSpace Trainings‐ und Beratungsdienstleistungen sowie Veranstaltungen für Mitglieder an.

MakerSpace befindet sich an zwei Standorten: mit 1.500 m² am Forschungscampus Garching und seit 2021 mit 1.200 m² im Gründungszentrum Munich Urban Colab, zentral im Kreativquartier in München.

https://maker‐space.de/presse/

3D-Druckgeschwindigkeiten: Was Sie wissen müssen

Dezember 15, 2022Dezember 6, 2022

In der additiven Fertigung sind hohe Geschwindigkeiten ein wichtiger Erfolgsfaktor. Die entscheidende Frage ist: wie komme ich ohne Qualitätsverlust zu deutlich schnelleren Produktionsgeschwindigkeiten? Hier hilft es, zu wissen, wie 3D-Druckgeschwindigkeiten definiert sind, was sie für Ihre gedruckten Bauteile bedeuten, und welche Methoden die Produktion beschleunigen. Mehr dazu finden Sie in unserer ausführlichen Orientierungshilfe.

Wie wird 3D-Druckergeschwindigkeit definiert?

Die Geschwindigkeit eines 3D-Druckers wird oft mit der Geschwindigkeit des Druckkopfs gleichgesetzt: je schneller der Druckkopf sich bewegt und das Filament ablegt, desto schneller ist ein Teil gedruckt. Doch ganz so einfach ist es nicht.

Obwohl die Geschwindigkeit des Druckkopfs das Tempo beeinflusst, in dem das Filament auf dem Druckbett abgelegt wird, ist sie nur einer von mehreren Faktoren, die die Gesamtdruckzeit bestimmen. Es lohnt sich, die 3D-Druckgeschwindigkeiten für den FFF-Prozess etwas weiter zu fassen, und den 3D-Druckprozess von Anfang (Vorbearbeitung) bis Ende (Nachbearbeitung) zu betrachten.

Jeder Schritt im FFF-3D-Druckprozess verlängert die Zeit von 3D-Modell zu fertigem Produkt. Das bedeutet glücklicherweise, dass man durch Optimierung bestimmter Einstellungen und Elemente im Druckprozess die 3D-Druckgeschwindigkeit insgesamt erhöhen kann. Wir betrachten die Geschwindigkeit etwas umfassender, und berücksichtigen neben der eigentlichen Druckzeit auch den Aufwand vor und nach dem Drucken.

Welche Faktoren beeinflussen die 3D-Druckgeschwindigkeit?

Wenn man die Geschwindigkeit des 3D-Druckprozesses erhöhen und optimieren will, muss man wissen, welche Faktoren während der Vorbehandlung, Erstellung und Nachbereitung eine Rolle spielen.

Eine Seriedruck von 3D-Drucken wird mit BigRep BLADE gesliced.

Pre-Processing

In der Vorbehandlung werden 3D-Modell und 3D-Drucker auf den Druckprozess vorbereitet. Hier bestimmen drei Stufen, wie lange ein 3D-Druck dauert.

Vorbereitung des 3D-Modells

Die Vorbereitung des 3D-Modells beinhaltet auch die Auswahl der Parameter und bevorzugten Druckeinstellungen. Entscheidungen, die während der Vorbereitung des 3D-Modells fallen, beeinflussen die Druckdauer stark. Je nachdem, wie das 3D-gedruckte Teil auf dem Druckbett orientiert wird, braucht man weniger oder sogar keine Stützen, was die Druckdauer verringert. Slicer-Programme wie BigRep BLADE bieten oft automatische Einstellungen – z.B. die automatische Ausrichtung des Modells – zur Optimierung dieser Features; sie müssen also nicht erst lange nach den richtigen Parametern forschen.

Slicen

Slicer-Software übersetzt 3D-Modelle in eine Sprache, die für 3D-Drucker verständlich ist. Dieser Prozess braucht Zeit, insbesondere bei hochkomplexen 3D-Modellen und zu großen STL-Dateien. Sie können die Auflösung Ihres 3D-Modells, die Schichthöhen und Fülldichten anpassen, um die Slice-Dauer zu beeinflussen.

Regelmäßige Updates für Ihre Slicer-Software können Fehler beseitigen, die die Verarbeitung verlangsamen.

Kalibrierung des 3D-Druckers

Die Kalibrierung stellt sicher, dass Ihr 3D-Drucker korrekt positioniert ist, und dass alle Komponenten, z.B. Extruder, Motoren und Achsen ausgerichtet sind. Während eine manuelle Kalibrierung mehrere Stunden dauern kann, bieten viele FFF 3D-Drucker eine automatische Kalibrierung, die in nur wenigen Minuten abgeschlossen ist.

Ein Sensor misst die gedruckten Strukturen, um vor dem Druck die Extruder für duale Extrusion zu kalibrieren.

3D Druckzeit

Die Druckzeit beschreibt, wie lange ein 3D-Drucker braucht, um ein Objekt zu drucken. Sie macht den zeitaufwändigsten Teil im 3D-Druckprozess aus. Verschiedene Druckereinstellungen und Hardwarefeatures können die Druckzeiten erhöhen oder verringern.

3D-Druckgeschwindigkeit

Die Druckgeschwindigkeit beschreibt das Tempo, in dem sich das Extrudersystem des 3D-Druckers bewegt, wenn es Filament extrudiert. Die Druckgeschwindigkeit wird in Millimetern pro Sekunde gemessen (mm/s), und die meisten FFF 3D-Drucker sind in der Lage, Druckgeschwindigkeiten zwischen 40 mm/s und 150 mm/s zu erreichen. Diese Einstellung kann zusätzlich die Druckqualität beeinflussen: je schneller der Extruder, desto weniger präzise der Druck.

Bewegungsgeschwindigkeit

Die Bewegungsgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich der Druckkopf bewegt, wenn er kein Filament extrudiert. Oft kann die Bewegungsgeschwindigkeit höher sein als die Druckgeschwindigkeit, ohne die Qualität zu beinträchtigen. Ist sie jedoch zu hoch, kann das zu Mängeln im 3D-Druck führen, wie z.B. zu geometrischen Ungenauigkeiten oder im schlimmsten Fall zu einem Versatz einzelner Schichten.

Welche Bewegungsgeschwindigkeit akzeptabel ist, hängt stark von der mechanischen Struktur Ihres 3D-Druckers ab. Mit robusterem Gestell und Portal hinterlassen auch höhere Bewegungsgeschwindigkeiten keine Vibrationsspuren auf dem Bauteil.

Zwei 3D-Drucke mit unterschiedlichen Schichthöhen: 0,2mm und 0,6mm.

Schichthöhe

Dieser Wert bestimmt, wie dick jede gedruckte Schicht wird, und hat einen direkten Einfluss auf die Druckgeschwindigkeit. Je größer die Schichthöhe, desto weniger Schichten benötigt der Druck, und desto schneller die Produktion Ihres Bauteils. Mit zunehmender Schichtdicke reduziert sich jedoch die Druckauflösung.

Düsendurchmesser

Ein korrekt gewählter Düsendurchmesser ermöglicht ein schnelleres Drucktempo. Je größer der Düsendurchmesser, desto breiter ist jede gedruckte Linie. Damit ist es unter Umständen nicht notwendig, mehrere Umrissschichten zu drucken, um eine bestimmte Wandstärke zu erreichen. Ein breiterer Düsendurchmesser ermöglicht auch größere Schichthöhen.

Zwei 3D-Drucke werden mit unterschiedlichen Fülldichten und Wandstärken gesliced.

Fülldichte

Der Fülldichteanteil – die interne Struktur, die die Außenhaut eines 3D-gedruckten Teils stützt – kann die Druckgeschwindigkeit stark beeinflussen. Je niedriger die Fülldichte, desto weniger Material wird benötigt, was wiederum die Druckzeit verringern kann.

Allerdings bedeuten niedrige Fülldichten auch weniger Festigkeit, man muss also die richtige Mischung aus Geschwindigkeit und Qualität finden.

Stützstrukturen

Stützstrukturen sind notwendig, um Überhänge und Brücken zu stützen, aber sie führen auch zu längeren Druckzeiten für 3D-Modelle. Die Muster, Dichten und andere Einstellungen der Stützstrukturen beeinflussen deren Druckzeit. Sie können die Druckzeit verringern, indem sie Ihr Modell auf dem Druckbett so orientieren, dass möglichst wenige Stützstrukturen nötig sind.

Das weiße Material ist das BVOH-Filament von BigRep, ein wasserlösliches Stützmaterial, das leicht zu entfernen ist.

Nachbearbeitung

Wenn ein 3D-gedrucktes Teil vom Druckbett genommen wird, benötigt es eine gewisse Nachbearbeitung. Bei Prototypen und Komponenten in Bastlerqualität sind die Nachbearbeitungszeiten oft minimal. Fertigteile und visuelle Prototypen benötigen dagegen oft aufwändige Nachbearbeitung.

Entfernen der Stützstrukturen

Wenn Ihr 3D-Modell mit Stützstrukturen gedruckt wurde, müssen diese entfernt werden. Wie leicht sie zu entfernen sind, hängt von deren Typ und Anzahl ab.

Manche Stützen können in wenigen Sekunden von Hand entfernt werden, während man bei anderen spezielles Schneidewerkzeug benötigt, um eine Beschädigung des 3D-gedruckten Teils zu verhindern. Wird ein 3D-Drucker mit dualen Extrudern und einem löslichen Material verwendet, können diese Stützen einfach und schnell entfernt werden.

Stützstrukturen sind so konzipiert, dass sie sich nach dem 3D-Druck leicht lösen lassen.

Schleifen und Polieren

3D-gedruckte Bauteile, die eine hohe Oberflächengüte benötigen, müssen geschliffen und poliert werden. Da beide Schritte von Hand ausgeführt werden müssen – mit Schleifpapier, Polierpaste oder Poliertuch – kann das sehr zeitaufwändig sein, vor allem bei größeren Drucken.

Mechanische Methoden wie Trommellackierung und Sandstrahlen sind zwar komplexer, doch sie stellen bei großen Chargen die schnellere Option dar.

Grundieren und Beschichten

Grundieren, Anstreichen und Beschichten sind optionale Nachbearbeitungsprozesse. Die dafür benötigte Zeit ist abhängig von der verwendeten Technik (z.B. Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung oder Bemalung von Hand), der Größe des gedruckten Teils, und der Größe der Charge.

Tauchbeschichtung kann z.B. die Nachbearbeitung für in Chargen produzierte Teile beschleunigen, während eine Sprühbeschichtung bei großen Drucken die effizientere Wahl sein kann.

Ein 3D-Druck wird mit einer Beschichtung nachbearbeitet, um die Oberfläche zu glätten und zu schützen.

Fazit

Die 3D-Druckgeschwindigkeit beruht nicht nur auf dem Tempo des Druckkopfs in mm/s: viele andere Faktoren haben einen Einfluss darauf, wie lange es dauert, einen 3D-Druck fertigzustellen. In der Vorbehandlungsphase können die Modellvorbereitung, das Slicing und die Parameterauswahl optimiert werden, um die Verarbeitung zu beschleunigen.

In der Druckphase haben verschiedene Einstellungen und Hardwareentscheidungen einen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit und Qualität eines 3D-Drucks. Und nicht zuletzt wird die Gesamtdruckzeit auch davon bestimmt, wie viel Nachbearbeitung ein durch FFF-3D-Druck produziertes Teil benötigt.

Mit dem Wissen, wie Druckgeschwindigkeit und Bauteilqualität zusammenhängen, können Sie durch das Optimieren dieser Schritte die Druckgeschwindigkeit erhöhen und den Druckprozess insgesamt effizienter machen.

Möchten Sie mehr Lernen: 6 Wege wie Sie mit dem BigRep PRO schneller produzieren!

Dominik Stürzer

SEO Manager

Dominik is a mechanical engineer whose passion to share knowledge turned him to content creation. His first 3D prints started in university. Back then the 3D printers were big on the outside and small on the inside. With BigRep the machines are finally big in their possibilities.

Mit 3D-Druck zum innovativen Mountainbike

Februar 23, 2023Februar 9, 2022

Canyon erfindet das Mountainbike neu und verbindet Effizienz mit Nachhaltigkeit. Mithilfe von Topologieoptimierung entstehen neue Rahmengeometrien, die die Ingenieure dank Großformat-3D-Drucker nach nur zwei Tagen in den Händen halten können.

Canyon: Innovativ von Anfang an

Die Canyon Bicycles GmbH setzt schon seit ihrer Gründung auf Innovation. Entstanden aus einem Handel mit Fahrradteilen während Radrennen wurde schon bald ein Ladengeschäft eröffnet. Kurz darauf stieg Canyon als eines der ersten Unternehmen in den Versandhandel ein, und man begann mit der Entwicklung eigener Räder. Inzwischen beschäftigt Canyon über 1000 Mitarbeiter und bietet vom Stadtrad bis zum Mountainbike Modelle in allen Kategorien an. Durch die Zusammenarbeit mit namhaften Profis wie Jan Frodeno, Alejandro Valverde und Mathieu van der Poel sowie Mannschaften wie dem Canyon SRAM Racing Team werden immer wieder Impulse für Innovationen und Neuentwicklungen gesetzt. Um diese Ideen zu realisieren, setzen Ingenieure wie Johannes Thumm, Senior Design Engineer MTB bei Canyon, inzwischen auf großformatigen 3D-Druck. Seine Aufgabe: “Ich arbeite daran, die leichtesten und effizientesten Mountainbikes für den Rennsport herzustellen. Genau die Bikes, die ich selbst gerne fahre.”

Additive Verfahren sparen Zeit und Geld beim Rahmendesign

Bislang war die Entstehung eines neuen Rahmenkonzepts aufwendig, kostenintensiv und vor allem langwierig. Um die ersten Prototypen eines neuen Rahmens zu fertigen, wurde ein erstes Modell aus Stahlrohren geschweißt. An diesem konnten dann Anbauteile montiert, die Rahmengeometrie überprüft und das Aussehen beurteilt werden. Gab es Probleme, dann musste ein neues Modell angefertigt werden, was wieder Wochen oder Monate dauern konnte.

Noch aufwendiger ist die Prototypenfertigung bei Rahmen aus Verbundstoffen wie beispielsweise CFK. Für diese muss eine Form gefräst werden, in der die Fasern eingelegt und mit der Matrix verbunden werden. Das ist ein zeitaufwendiger und damit auch teurer Prozess, denn allein der Preis für eine solche Form kann zwischen 10.000 € und 25.000 € betragen. Und auch hier gilt, dass erst nach einigen Wochen beurteilt werden kann, ob das Rahmendesign wie gewünscht ausfällt, oder ob Anpassungen vorgenommen werden müssen.

Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel. Auf ihrem BigRep ONE können die Entwickler ihre am Rechner konstruierten Rahmengeometrien in ein bis zwei Tagen ausdrucken. So hat man schon nach kurzer Zeit einen Rahmen in der Hand, kann ihn „begreifen“ und mit den eigenen Vorstellungen vergleichen. An diesen Modellen lassen sich zudem Beurteilungen vornehmen, die eine Entscheidung darüber ermöglichen, ob ein Ansatz weiterverfolgt oder fallengelassen wird. Johannes Thumm: “Wir können einfach designen, drucken, den Rahmen überprüfen, Änderungen vornehmen, erneut drucken.”

Durch entsprechende Nachbearbeitungen wie Schleifen, Grundieren und Lackieren entsteht ein Prototyp, der auch im Aussehen bereits dem finalen Modell entspricht. Damit lässt er sich hervorragend präsentieren, um Meinungen bei Kollegen und potentiellen Kunden einzuholen. Falls Anpassungen notwendig sind, dann verkürzt der 3D-Drucker die Iterationszyklen und damit die Zeit bis zur nächsten Rahmenversion ganz erheblich. Und natürlich betragen auch die Kosten für einen Prototypen aus dem 3D-Drucker nur einen Bruchteil dessen, was beim herkömmlichen Formenbau anfällt.

Entwicklung nachhaltiger Rahmenkonzepte mit Hilfe des BigRep ONE

Im Zuge eines neuen Projekts ergab sich die Notwendigkeit bei Canyon, ganz neue Wege zu beschreiten. Der Entwicklungsabteilung wurde die Aufgabe gegeben einen Rahmen zu entwickeln, der neue Maßstäbe bezüglich der Nachhaltigkeit setzen sollte. Die sich daraus ergebenden Randbedingungen stellten die Ingenieure vor eine ganze Reihe von Herausforderungen.

Der Rahmen sollte lediglich aus einem einzigen, leicht zu recycelnden Material bestehen. Für den harten Einsatz im Rennen, und um das Handling auch beim ambitionierten Fahren in der Freizeit zu verbessern, musste der Rahmen möglichst steif ausgeführt sein. Und schließlich durfte das Gewicht ein gewisses Maß nicht überschreiten.

Um diese Ziele zu erreichen, setzte Canyon auf eine rechnergestützte Topologieoptimierung. Nach Vorgabe relevanter Eckdaten errechnete der Computer eine annähernd ideale Rahmenform. Allerdings war eine Vielzahl von Änderungen und Anpassungen notwendig, um nach zahlreichen Zwischenschritten eine umsetzbare Geometrie zu erhalten.

Ohne den Einsatz des 3D-Druckers wäre eine solche Vielzahl an Versuchen nicht rentabel oder sogar schlichtweg unmöglich gewesen. Hierzu Johannes Thumm: “Der 3D-Druck hat schon so viele coole Chancen eröffnet, spart Zeit, lässt uns neue Designs ausprobieren, und erweitert unsere Fertigungsmöglichkeiten.”

Zukunft des 3D-Drucks in der Fahrradentwicklung

Der 3D-Druck ermöglicht, wie in vielen anderen Industriezweigen, eine deutlich beschleunigte Produktentwicklung. In Zeiten immer kürzerer Produktzyklen und einer steigenden Nachfrage nach individualisierten Produkten erlauben es additive Fertigungsverfahren, schnell auf sich verändernde Marktbedingungen zu reagieren. Durch eine engere Vernetzung computergestützter Designprozesse und moderner Herstellungsverfahren lassen sich Produkte herstellen, die noch vor kurzem undenkbar waren.

Noch sind tatsächlich einsetzbare Fahrradrahmen aus dem 3D-Drucker eine Zukunftsvision. Bei der rasanten Entwicklung, die sich derzeit im Bereich additiver Fertigungsverfahren zeigt ist es allerdings nur noch eine Frage der Zeit, bis auch das möglich sein wird. Dann wären nicht nur Rahmen in speziellen Größen und Abmaßen jederzeit verfügbar, es ließen sich sogar vollkommen personalisierte, auf die eigenen Körpermaße zugeschnittene Fahrradgeometrien herstellen. Für Johannes Thumm wird der 3D-Druck in der Zukunft eine ganz bedeutende Rolle spielen. “Es ergeben sich eben ganz neue Möglichkeiten, wie ein Produkt aussehen kann.”

Aber auch in Bezug auf die Nachhaltigkeit der Fertigung wird der 3D-Druck einen großen Sprung ermöglichen. Lokale Produktion statt langer Transportwege und die Vermeidung von Abfall bei der Herstellung der Teile werden dazu führen, dass das Fahrrad einen noch größeren Beitrag zum Umweltschutz leisten kann, als es das ohnehin schon tut.

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Michael Eggerdinger

Business Manager Materials

Verbinden Sie CNC-Bearbeitung und 3D-Druck in der Fertigung

Februar 8, 2022Februar 7, 2022

Fragen Sie sich auch manchmal, ob die CNC-Fertigung oder der 3D-Druck das bessere Verfahren ist? Die Antwort ist ganz einfach: “Das kommt darauf an!”

Vielfach verlässt man sich in der Produktion auf CNC Maschinen als das Rückgrat der Fertigung. Im Zuge des Aufstiegs additiver Fertigungsverfahren denken aber immer mehr Firmen darüber nach, auch den 3D-Druck in ihre Arbeitsabläufe zu integrieren oder sogar ihre CNC-Maschinen zu ersetzen. Wir geben Ihnen einen Überblick über die Möglichkeiten, die Ihnen der 3D-Druck bietet, und wie Sie beide Technologien am besten miteinander verbinden können.

Überblick CNC-Fertigung bzw. subtraktive Verfahren

Bei der CNC-Bearbeitung werden auf einer computergesteuerten Werkzeugmaschine Bauteile aus einem Rohling herausgearbeitet, indem das “überschüssige” Material abgetragen wird. Sie stellt noch immer das kostengünstigste Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in mittlerer bis großer Stückzahl dar. Seit Jahrzehnten erprobt, sind CNC-Maschinen in Fertigungsstätten weltweit verfügbar und es existiert umfangreiches Wissen rund um die gesamte Prozesskette. Durch seine Vielseitigkeit in Bezug auf bearbeitbare Materialien, herstellbare Geometrien sowie erreichbare Oberflächengüten und Toleranzwerte stellt die CNC-Technik in vielen Fällen das Mittel der Wahl dar.

Allerdings ist die Herstellung eines Bauteils mittels CNC-Fräsen – insbesondere bei höherer Komplexität der Geometrie oder anspruchsvollen Werkstoffen – immer noch ein hochspezialisierter Prozess. So werden gut ausgebildete Konstrukteure und Programmierer benötigt, was zu vergleichsweise hohen Personalkosten führt. Oftmals sind spezielle Spannwerkzeuge erforderlich, die dann wieder konstruiert und gefertigt werden müssen. Gerade bei kleinen Stückzahlen treibt das die Stückkosten deutlich in die Höhe. Dazu kommt die nicht immer gewährleistete Verfügbarkeit und hohe Kosten für das Material. Je höher der Zerspanungsgrad, desto höher auch die Werkstoffkosten für den Rohling im Vergleich mit dem fertigen Bauteil.

Überblick 3D-Druck (bzw. additive Verfahren)

Der 3D-Druck in seinen unterschiedlichen Ausprägungen stellt zwar schon seit vielen Jahren ein etabliertes Fertigungsverfahren dar, ist aber gerade in der Industrie bei weitem noch nicht so stark verbreitet wie die spanende Fertigung. Gerade zur Herstellung kleiner bis mittlerer Stückzahlen oder Prototypen hält insbesondere das FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) aber in verschiedenen Industriesektoren immer mehr Einzug. Hierbei wird ein Kunststoff aufgeschmolzen, durch eine Düse in Schichten aufgetragen und dabei zu einem Bauteil aufgebaut. Da abgesehen von eventuell erforderlichen Stützstrukturen nur genau die Menge an Material verwendet wird, die später das fertige Objekt bildet, entsteht so gut wie kein Abfall. Der Druck findet direkt auf der ebenen Druckplatte statt, so dass keine Spannwerkzeuge erforderlich sind. Zudem erfordert es nur wenig spezifisches Wissen, um einen BigRep-Drucker einzurichten und einen Druckvorgang zu starten. Das Verfahren selbst limitiert in keinster Weise den Gestaltungsprozess der Bauteile; beinahe jede gewünschte Geometrie kann gedruckt werden. So lassen sich auch eingefahrene Denkmuster in Konstruktion und Entwicklung überwinden. Technical Operations Manager bei der Nikola Motor Company: „Man kann tatsächlich den gesamten Entwicklungs- und Fertigungsprozess neu überdenken!“

Bedingt durch den Prozess ist allerdings die Qualität der Oberflächen meist nicht mit der von gefrästen Bauteilen zu vergleichen und erfordert mehr oder weniger aufwendige Nachbearbeitungen. Und auch wenn inzwischen immer enger tolerierte Bauteile gedruckt werden, so können sie auch in dieser Hinsicht meist nicht mit gefrästen Werkstücken mithalten. Schlussendlich ist auch die Auswahl an Materialen beschränkt; per FFF lassen sich nur Kunststoffe verarbeiten, die aufgeschmolzen werden können.

Wie können Sie Ihren 3D-Drucker am besten einsetzen?

MONTAGEHILFEN

Ein sehr anschauliches Beispiel stellt diese handgeführte Montagehilfe dar, die bei der Montage von Autos zum Einsatz kommt. Das Bauteil mit einer Länge von über 120 cm sollte ursprünglich in aus Aluminium gefräst werden. Die Kosten hierfür, einschließlich Maschinen-, Personal- und Materialkosten, hätten ungefähr 10.000 USD betragen, bei einer Lieferzeit von ca. zwei Wochen. Bei einer Vergabe des Auftrags an einen Zulieferer aus China hätte der Preis immerhin noch bei 5.800 USD gelegen, die Lieferzeit wäre ähnlich der bei einer In-House-Fertigung gewesen. Schlussendlich wurde entschieden, das Bauteil aus HI-TEMP CF auf einem BigRep PRO zu drucken. Die komplette Fertigungsdauer betrug ungefähr 2 Tage, dabei entfielen ca. zwei Drittel der Zeit auf den Druck. Da die gesamten Kosten sich auf nur 790 USD beliefen, ergab sich hier eine Einsparung von ca. 86 %! Als angenehmer Nebeneffekt für die Mitarbeiter, die das Bauteil in ihrem Arbeitsalltag handhaben müssen, ist auch das im Vergleich zu einer aus Aluminium gefrästen Variante um über 50 % geringere Gewicht. Alles in allem ein sehr lohnenswerter Einsatz des BigRep PRO.

SERIENBAUTEILE

Boyze Technologies setzt den 3D-Druck ein, um Serienbauteile für ihre im Auftrag von Verizon hergestellten 5G-Kiosks zu fertigen. Aufgrund der besonderen Form wäre es sehr zeitaufwendig gewesen, diese Teile zu fräsen und es hätte besonders umfangreiche Vorbereitungen und einige Nachbearbeitungsschritte erfordert. Weil das bei den gedruckten Bauteilen nicht notwendig war, lag in diesem Anwendungsfall ein besonderes Einsparpotential im Personaleinsatz. Und da mehrere unterschiedliche Teile gleichzeitig gedruckt werden konnten, ließ sich auch der Bauraum des Druckers bestmöglich ausnutzen.

Wie können Sie 3D-Druck und CNC-Bearbeitung kombinieren?

Der Nutzen der additiven Fertigung lässt sich nochmal steigern, wenn sie in cleverer Weise mit anderen Fertigungsverfahren kombiniert wird. Gedruckte Objekte lassen sich an mechanisch höher belasteten Stellen mit aus Metall gefertigten Bauteilen verstärken. Ein Beispiel hierfür sind Gewindebuchsen aus Messing, die in Kunststoffgrundkörper eingesetzt werden. Gedruckte Teile können auch spanend nachbearbeitet werden, um kritische Toleranzen oder erforderliche Oberflächengüten einzuhalten, oder um Gewinde einzufräsen. Und Aufnahmen, Spannvorrichtungen und Positionierschablonen aus dem Drucker erleichtern auch die Arbeit an CNC-Maschinen. Durch die intelligente Verbindung von 3D-Druck und CNC-Bearbeitung können Anwender also von den Vorzügen beider Welten profitieren.

Auch bei der Entwicklung und Fertigung einfacher Vorrichtungen, wie Positionierhilfen, Montagevorrichtungen oder Werkstückaufnahmen ist der Drucker sehr hilfreich. Ein Beispiel hierfür ist die unten abgebildete Aufnahme für ein Aluminiumbauteil. Riley Gillman bei Nikola stand vor der Aufgabe, ein gefrästes Bauteil wiederholbar und sicher in einer Koordinatenmessmaschine zu positionieren. Aufgrund spezieller geometrischer Anforderungen konnte das Bauteil selbst nicht gedruckt werden, musste also auf einer CNC-Maschine gefräst werden. Es hätte aber zusätzliche Maschinenzeit und eines unverhältnismäßig großen Rohlings bedurft, um auch die Aufnahme aus Aluminium zu fräsen. Gillman entschied sich also dafür, sie auf seinem BigRep PRO zu drucken. Hier lagen nur wenige Stunden zwischen der Idee und dem fertigen Bauteil, und das bei Materialkosten von unter 20 USD!

Bei Nikola hat man gerade in den letzten Jahren die Erfahrung gemacht, dass die Verfügbarkeit sowohl externer Zulieferer als auch der benötigten Materialien immer weiter abgenommen hat. Der Drucker bietet hier Flexibilität und Unabhängigkeit.

Riley Gillman fasst die Randbedingungen zusammen, die seine Entscheidung für den Einsatz des 3D-Druckers beeinflussen: „Wir fertigen hier oft sehr große Bauteile, und das oft mit sehr knappen Zeitvorgaben. Die Geometrie der Teile spielt auch eine große Rolle; manche der Bauteile sind schlichtweg zu komplex, um sie mit herkömmlichen Verfahren zu produzieren. Und manchmal haben wir auch einfach nicht das Budget, um Teile anders als mittels 3D-Druck herzustellen!“

Welche Vorzüge bietet Ihnen also der Einsatz additiver Verfahren?

Bei Nikola findet der 3D-Druck immer häufiger dann Verwendung, wenn große Bauteile schnell verfügbar sein müssen, bzw. wenn Iterationen eines Bauteils durchgespielt werden sollen. Aufgrund der Möglichkeit, schnell und einfach Änderungen an 3D-Modellen vorzunehmen und sie dann ohne lange Vorlaufzeiten In-House fertigen zu können, lassen sich Entwicklungszeiten drastisch reduzieren. Prototypen zum Anfassen sind schneller verfügbar und vermitteln damit einen besseren Eindruck des Endprodukts.

Ist der 3D-Druck für Sie auch finanziell lohnenswert?

Natürlich ist es für Unternehmen wichtig zu wissen, ob sich eine Investition in kommerzieller Hinsicht lohnt bzw. wie lange es dauert, bis sich die Anschaffungskosten amortisiert haben. Hierzu ein kleines Rechenbeispiel aus der Praxis: Wenn Sie ein großes Bauteil extern drucken lassen, dann kann das inklusive Iterationen bis zu 5.000 USD pro Woche kosten. Bei vier ähnlich großen Bauteilen pro Monat entstehen in diesem Zeitraum Kosten von bis 20.000 USD. Vergleicht man diese Summe mit den Anschaffungskosten für einen eigenen 3D-Drucker, dann zeigt sich sehr schnell auch der finanzielle Vorteil eines Druckers in der eigenen Produktion.

Welches Verfahren ist also jetzt das bessere für Sie?

Nach diesen Ausführungen wird die Antwort „Das kommt darauf an“, die wir oben gegeben haben, hoffentlich verständlicher. Jedes der beiden Verfahren hat seine Berechtigung und seine ganz speziellen Anwendungsfälle, und daher wird der 3D-Druck auch in Ihrem Unternehmen die CNC-Fertigung (vermutlich) nicht gänzlich ersetzen.

Aber insbesondere wenn Sie auf eine gegenseitige Ergänzung beider Prozesse abzielen, dann hat die Anschaffung eines 3D-Druckers für Sie mit Sicherheit folgende Vorteile:

Sie gewinnen an Flexibilität und Unabhängigkeit.
Sie sparen Zeit und Kosten.
Sie erweitern Ihr Fertigungsspektrum.
Der 3D-Druck ermöglicht Ihnen, interne Prozesse zu überdenken und zu verbessern.

Wenn das für Sie interessant ist, dann sprechen Sie mit einem unserer Experten! Wir beraten Sie gerne und zeigen Ihnen, welcher unserer Drucker der geeignete für Sie und Ihre Anwendungen ist. Schicken Sie uns eine CAD-Datei eines Musterbauteils, und wir berechnen für Sie die Druckdauer und Kosten!

SEHEN SIE SICH DAS WEBINAR AN!

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Michael Eggerdinger

Business Manager Materials

Schnelle und zielgerichtete Produktentwicklung im Nutzfahrzeugbau durch 3D-Druck

Februar 23, 2023Januar 7, 2022

Sie haben ein hochspezifisches Produkt und passen es für jeden Kunden nach dessen Wünschen und Anforderungen an? Meistens dauern die entsprechenden Iterationszyklen sehr lang und kosten Zeit und Geld. Erfahren Sie, wie die ZOELLER-Group maßgeschneiderte Bauteile in nur wenigen Tagen statt Wochen entwickelt und optimiert.

Welche Herausforderungen ergeben sich beim Bau kundenspezifischer Fahrzeuge?

Die ZOELLER-Group mit ihren 2500 Mitarbeiter entwickelt und fertigt Abfallsammelfahrzeuge und insbesondere die dazugehörigen Hubvorrichtungen. Ihre Produkte kommen weltweit zum Einsatz, und müssen daher auch unterschiedlichsten Anforderungen genügen. Nicht nur die zu bewegenden Mülltonnen unterscheiden sich, auch landesspezifische rechtliche Grundlagen erfordern eine Vielzahl unterschiedlicher Sicherheits- und Schutzvorrichtungen. Dr. Bojan Ferhadbegović, Head of Engineering and Design bei ZOELLER: "Das sind weltweit eingesetzte Maschinen. Diese müssen nicht nur sehr schnell, sondern auch sehr zuverlässig arbeiten."

Die daraus resultierenden Vorstellungen und Wünsche der Kunden erfordern ständige Anpassungen. So müssen in Abdeckungen und Gehäusen Bedienelemente eingebaut, Leuchten an den richtigen Stellen platziert und eine Vielzahl von Sensoren zur Prozessüberwachung integriert werden. Der Produktentwicklungsprozess nimmt viel Zeit in Anspruch, weil Lösungen entwickelt, auf ihre Eignung überprüft und optimiert werden müssen. Bislang wurden dementsprechende Bauteile dann in langwieriger Arbeit aus Blech geformt und dann in dieser Form mit dem Kunden diskutiert. Abgesehen von der langen Entwicklungsdauer waren diese Prototypen auch in Bezug auf Komplexität, Bauteilgenauigkeit und Materialeigenschaft recht limitiert. Und manche gewünschten Features ließen sich in diesem Prozess auch schlichtweg nicht abbilden. Dadurch bekam man oft erst nach der Herstellung des ersten seriennahen Bauteils ein wirkliches Gefühl für Geometrie und Haptik des Objekts.

Wie kann 3D-Druck diese Probleme lösen?

Um hier Abhilfe zu schaffen und den Anforderungen der Kunden gerecht zu werden begann ZOELLER vor einigen Jahren, sich von traditionellen Fertigungsverfahren zu lösen und diese Prototypen mittels 3D-Druck herzustellen. Die sich ergebenden Vorteile sind vielfältig. Von der Konstruktion bis zum Vorliegen des ersten "begreifbaren" Teils dauert es jetzt nur noch einige Tage statt mehrerer Wochen. Die schnellere Abstimmung zwischen Konstruktion, Fertigung und Kunden führt zu deutlich verkürzten Iterationszyklen. Gewünschte Änderungen werden in kürzester Zeit in das Design integriert und das modifizierte Teil schon nach wenigen Tagen erneut begutachtet. Die gedruckten Prototypen können auch einfach an den Fahrzeugen montiert und so im Einsatz getestet werden. Marco Neuchel, Head of Development bei ZOELLER: "Der große Vorteil an der schnellen Verfügbarkeit der Bauteile ist, dass wir diese jetzt sofort im Feldtest und am Produkt ausprobieren können. Wir können die Teile jetzt also binnen weniger Tage testen und bekommen schnelles Feedback."

Neben dem stark beschleunigten Entwicklungsprozess wurden auch die geometrischen und werkstoffbezogenen Möglichkeiten deutlich erweitert. ZOELLER ist nun beispielsweise in der Lage, Flächen und Strukturen einzubringen, die mit den herkömmlichen Verfahren nicht herstellbar waren. Auch durch die große Auswahl verfügbarer Filamente kommen schon die ersten Prototypen in jeglicher Hinsicht den später in Serie gefertigten Bauteilen extrem nahe, insbesondere in Bezug auf Aussehen und Materialverhalten. Beispielsweise erlaubt es die Verwendung von ASA Objekte zu drucken, die eine ähnliche Steifigkeit und Haptik wie die schlussendlich durch Rotationsformen hergestellten Serienteile aufweisen. 

Hierzu Dr. Ferhadbegović: "Unsere Kunden haben sehr spezifische Anforderungen. Wir müssen also sehr spezifische Bauteile auf Anfrage sehr sehr schnell herstellen - und hierfür ist der 3D-Druck in idealer Weise geeignet!" 

Wie hat sich der 3D-Druck bei ZOELLER entwickelt?

Zu Beginn ließ ZOELLER 3D-Druckteile noch bei externen Dienstleistern fertigen. Um nicht mehr von Zulieferern abhängig zu sein und gleichzeitig Zeit und Kosten zu sparen, kaufte ZOELLER im Juli 2019 einen BigRep ONE. Aufgrund der kurzen Einarbeitungszeit und des sich schnell einstellenden Erfolgs beim Drucken verschiedenster Objekte stieg die Anzahl der so hergestellten Bauteile schnell an. Der ONE erhielt bald ein Upgrade auf den Tandem-Modus, um Teile parallel drucken zu können und so die Produktion weiter zu beschleunigen.

Zwei Jahre nach dem ONE führte der Bedarf an erweiterten Druckkapazitäten zur Anschaffung eines BigRep PRO. Damit erhielt ZOELLER die Möglichkeit, mehr als doppelt so schnell drucken zu können, und das bei weiter gesteigerter Genauigkeit. Die vollständige Einhausung führt zu einem besseren Temperaturmanagement, und da der BigRep PRO eine noch größeren Anzahl an Materialien(vielfältige Materialien) verarbeiten kann, steigen auch die Einsatzmöglichkeiten für den Drucker. 

Inzwischen druckt ZOELLER nicht nur Prototypen, sondern auch Vorrichtungen für die Produktion. Die Stückzahl liegt dabei – je nach Bauteil – zwischen 2 und 2.000 Stück. Der Bauraum mit einer Größe von einem Kubikmeter erlaubt es hierbei, große Teile in einem Stück zu drucken, ohne sie kleben zu müssen. Alternativ kann die große Druckfläche auch genutzt werden, um mehrere kleine Objekte sequenziell in größerer Zahl herzustellen. Und ZOELLER plant, in naher Zukunft auch End-Use-Teile in Kleinserien zu drucken. Zu diesem Zweck werden manche Bauteile nachbearbeitet, beispielsweise grundiert und lackiert, um ihre Eignung für den Einsatz in Wind und Wetter in Bewitterungstests zu überprüfen.

Welche Erfahrungen hat ZOELLER mit dem 3D-Druck und den BigRep-Druckern gemacht?

Für die Mitarbeiter bei ZOELLER stellte der Einstieg in den 3D-Druck keine große Hürde dar. Das erforderliche Wissen konnte man sich schnell aneignen, und die Integration in bestehende Produktionsprozesse funktionierte reibungslos. Das liegt einerseits an Aufbau und Design des BigRep PRO und des BigRep ONE, andererseits auch an der Unterstützung durch den BigRep-Kundenservice. Marco Neuchel: "Der BigRep PRO ist inzwischen mehr als 300 Stunden gelaufen, und wir hatten bislang keinerlei Probleme. Es ist einfach eine wirklich gut konstruierte Maschine! Und bei Fragen rund um die Drucker und den Druckprozess stand uns immer jemand zur Seite, sei es per Telefon oder Email. Wir sind mit BigRep rundum zufrieden!"

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In sehr kurzer Zeit hat sich der 3D-Druck bei ZOELLER etabliert und ist dort aus der Fertigungskette nicht mehr wegzudenken. Kein Wunder, dass auch Dr. Ferhadbegović ein überaus positives Fazit zieht: "Der 3D-Druck ist inzwischen ein integraler Bestandteil unseres Entwicklungsprozesses geworden. Für uns liegt die Zukunft definitiv im 3D-Druck!"

ÜBER UNS

TECHNISCHER SUPPORT

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Verbesserung des traditionellen Formenbaus durch additive Fertigung.

Was ist und was macht CDM:Studio?

"Wir hatten also viele komplizierte Aufgaben, und es hätte deutlich länger gedauert, wenn uns der 3D-Drucker nicht entlastet hätte."

Welche Probleme löst der 3D-Druck für Euch?

Ist ein Hai einfacher zu entwerfen als ein Dinosaurier? Schließlich existieren Haie heute noch...

"Wir machen mehr als nur 3D-Druck, aber er hilft uns, diese Probleme für Andere zu lösen."

Wie viel Zeit spart Ihr, wenn Ihr Eure Modelle additiv fertigt statt mit Ton?

Mit welchem Material druckt Ihr, und warum?

"Die Modelle werden verschifft und vielleicht in superheißen Gegenden wie Arizona ausgestellt werden, und deswegen haben wir ein sehr beständiges Material wie PRO HT gebraucht."

Irgendwelche letzten Worte zum BigRep PRO oder Ideen für die Zukunft?

Redmond Bacon

Design für die additive Fertigung: Best Practices für bessere 3D-Drucke

Was Ist Design for Additive Manacturing

Warum DfAM

DfAM Best Practices

1. DfAM hängt von Ihrem spezifischen 3D-Drucker ab

2. Reduzieren Sie den Materialverbrauch und die Druckzeiten

3. Fassen Sie Teile zusammen

4. Optimieren Sie die Topologie

DfAM Richtlinien

1. Minimale Strukturgröße

2. Wandstärke und Schichthöhe

3. Stützstrukturen

4. Überhänge

5. Bridging

6. Ausrichtung

7. Maßabweichungen

8. Infill

Testen und Validieren Sie Ihr Design

DfAM Software

FEA Software

Test Printing

Grenzen des DfAM

Ergebnis

Redmond Bacon

ITERATE FAST. PRODUCE FASTER. GET TO MARKET FASTEST.

ITERATE FAST. PRODUCE FASTER. GET TO MARKET FASTEST.

3D-Druck Mit Kohlefaser: Wie Man Starke Bauteile 3D-Druck

Was sind Carbonfaser-Filamente?

Warum Sie Kohlenstofffaser-3D-Druck benötigen

Vorteile des 3D-Drucks mit Kohlenstofffasernverstärkten Filamenten

Hohe Festigkeit

FORMBESTÄNDIGKEIT

GERINGES GEWICHT

HOHE WÄRMEFORMBESTÄNDIGKEIT

GERINGERE NACHBEARBEITUNG ERFORDERLICH

Steifigkeit

Anforderungen für die Arbeit mit Kohlefaserfilamenten

Beheiztes Druckbett

Ausgehärtete Düse

Druckausrichtung

Wo werden CF-Filamente verwendet?

Verbundwerkstoff-Formen und Thermoform-Formen

Vorrichtungen, Werkzeugbau

Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie

BigRep PA12 CF und HI-TEMP CF

Fazit

DER PROFESSIONELLE 3D-DRUCKER FÜR DIE INDUSTRIE

DER PROFESSIONELLE 3D-DRUCKER FÜR DIE INDUSTRIE

Redmond Bacon

Die Autokalibrierung des BigRep PRO - Wie funktioniert sie?

Wie funktioniert die Bettkalibrierung?

Wie funktioniert die Kalibrierung der Extruder?

ITERATE FAST. PRODUCE FASTER. GET TO MARKET FASTEST.

ITERATE FAST. PRODUCE FASTER. GET TO MARKET FASTEST.

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Michael Eggerdinger

Große Bauteile benötigen traditionell teure Produktionstechniken

3D-Druck spart Zeit und Geld in der Entwicklungsphase

Wie profitiert Airbus vom großformatigen 3D-Druck mit BigRep?

IN DEUTSCHLAND ENTWICKELT – ZUVERLÄSSIGKEIT ZUM ATTRAKTIVEN PREIS

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Michael Eggerdinger

Inspiration für die nächste Generation von Erfindern und Start‐Ups

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