Großvolumige Bauteile werkzeuglos herstellen 3D-Extrusionsdruck: Diese Vorteile bietet das VFGF-Verfahren

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Der großvolumige 3D-Extrusionsdruck mit dem VFGF-Verfahren soll einige Vorteile bieten gegenüber werkzeuggebundenen Verfahren und alternativen 3D-Druck-Ansätzen. Welche das sind.

Beim VFGF-Verfahren werden marktgängige Kunststoff-Granulate statt hochpreisiger Polymere mit Filamenten verwendet. Der Clou steckt aber in einer Verfahrensbesonderheit: Dem Einsatz einer variablen Düse (Variable Fusing), die beim Bauteilaufbau zwischen einem Turbo- und einem Detailmodus variieren kann. Dabei steht das „VF“ für Variable Fused in Ergänzung zum „GF“, welches für Granulate Fabrication steht, also 3D-Extrusions-Druck. 

Was zeichnet nun eine variable Düse aus? Die variable Düse kann mit hohen Materialdurchsätzen im Turbo-Modus schnell drucken, zum Beispiel den In-Fill-Bereichen im Innern der Geometrie, und an anderen Stellen des Bauteils mit niedrigen Materialdurchsätzen im Detailmodus hohe Präzision gewährleisten. Die variable Düse einer Queen1-Anlage von Q.Big 3D arbeitet mit einer Kombination von 1,5 mm (Detailmodus) und 3 mm (Turbomodus) und trägt das Material schichtweise auf, wie generell 3D-Drucker. Damit wird es möglich, sehr großvolumige Bauteile ohne Werkzeugeinsatz wirtschaftlich herzustellen. Dies bietet eine hohe Auflösung bei kurzer Fertigungszeit und niedrigen Materialkosten. Die Verfahrensgeschwindigkeit liegt bei max. 500 mm/s. Die Anlage ermöglicht eine dynamische Ausstoßmenge 0,15 – 2,0 kg/h. Die variable Düse arbeitet im Detailmodus also filegran. Das kann eine Oberfläche sein, die für High-Gloss-Lackierung akurat sein soll, aber auch zur Aufnahme von Befestigungselementen. Auch Schrägen oder Überhänge, die mit Stützstrukturen unterfüttert werden müssen, können Anforderungen des Bauteiles sein. Hinzu kommen Brücken oder dünne Dome. 

Der Turbomodus hingegen ermöglicht rasche Aufbauzeiten, wie er für sehr große Bauteile, im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit einer additiven Fertigungsstrategie notwendig ist, um mit klassischen Verfahren, wie dem Spritzgießen von Granulaten konkurrieren zu können. Der Turbomodus wird für In-Fill-Bereiche gewählt oder für Verstrebungen auf der Rückseite von Bauteilen in nicht sichtbaren Bereichen. Bei der Konstruktion wird die Druckanweisung an die Queen1-Anlage definiert in Bereichen des Bauteils für den Detail- bzw. den Turbodruck und durch Simulationen abgesichert. Dem Konstrukteur eröffnen sich somit auch bionische Strategien oder ressourcensparende Materialeinsparungen im Rahmen des Leichtbaus.

Potentiale des großformatigen 3D-Extrusionsdruck mit dem VFGF-Verfahren

Die werkzeuglose Fertigung mit einem industriellen 3D-Extrusions-Drucker im Großformat eröffnet Anwendern zeitnahe Time-to-Market-Strategien. Der Entfall der Werkzeugkosten und neue Strategien der Bauteil-Geometrie in der Konstruktion treffen auf extrem kurze Amortisationszeit der Anlagentechnik. Der besondere Clou gegenüber alternativen AM-Strategien, wie FDM-Druckanlagen, ist der Einsatz von handelsüblichen Granulaten ohne Filamente. Dabei ist das Spektrum der Anwendungen gewaltig und selbst sehr große Bauteile und Baugruppen werden heute wirtschaftlich gedruckt. Dennis Herrmann, Geschäftsführer von Q.Big 3D: "Wir produzieren Zukunft. Die 3D-Material-Extrusion mit dem VFGF-Verfahren verschiebt die Grenzen des Machbaren und ermöglicht ein ganz neues Niveau der Wirtschaftlichkeit und Amortisation. Im großformatigen 3D-Druck sehe ich enorme Potentiale für die Produktentwicklung. Dies betrifft auch Leichtbau, Bionik und Ressourcenschonung. Vor allem aber ist das VFGF-Verfahren ein Beschleuniger des Industrie 4.0-Ansatzes."

Beispiel Funktionsmuster im Caravanbau

Für ein komplexes und dünnwandiges Funktionsmuster im Caravanbau (0,4 mm Tiefe) wurde auf der Queen1 ein Polyamid GF25 eingesetzt. Das Material wurde wegen der Flammhemmung und seriennahen Materialeigenschaften ausgewählt. Das Bauteil wiegt 31 kg (inklusive Supportstrukturen). Die Druckdauer des akkuraten Bauteils mit feiner Oberfläche beträgt 128 h. Für den Kunden war die kurze Vorlaufzeit und der Entall von Werkzeugkosten entscheidend für die Wahl der VFGF-Fertigungsstrategie.

Beispiel Montage- und Messvorrichtung in Automotive

Montage- und Messvorrichtungen bilden aufgrund der geringen Losgrößen wichtige Anwendungen für den 3D-Druck. Das Beispiel einer Messaufnahmeeinrichtung in Automotive wurde aus PLA mit Farbpigmenten in 24 h gedruckt. Das Gewicht beträgt 4,5 kg und die Oberfläche misst 0,4 mm. Im Vordergrund der Konstruktion stand eine akurate Lagetoleranz von < 0,2 mm. Für den Kunden konnte eine Reduzierung der Verfügbarkeit der Messaufnahme von 7 auf 2 Wochen realisiert werden und, on top, ein bionisches Design.

Beispiel Rohrkrümmer für ein Wasserkraftwerk 

Beim Rohkrümmer handelt es sich um ein 205 kg schweres Bauteil, welches akurat und dicht mit Rohren verbunden werden muss, dabei aber auch hohen Druckbelastungen im Einsatz gerecht werden muss. Als Material entschied man sich für PLA. Die Oberfläche des Bauteils variiert zwischen 0,4 mm und 1,2 mm. Aufgrund des Volumens lag die Druckdauer bei 340 h. Relevante Kriterien für den Anwender waren die kurzfristige Verfügbarkeit (4 Wochen statt 16 Wochen, eine signifikante Verkürzung der Entwicklungszeit und vor allem eine 50 prozentige Kostenersparnis gegenüber einem konventionellen Verfahren.

Beispiel Helikopter-Simulations-Cockpit 

Ein Beispiel für den Großformat-3D-Druck ist das 3D-Cockpit für einen Helikopter-Simulator additiv gefertigt auf einer Queen1-Anlage von Q.BIG 3D bei Murtfeldt Additive Solution. Die Abmessungen des Cockpits betragen 2.260 mm (x), 1.780 mm (y) und 1.705 mm (z). Das Gewicht liegt bei nur 200 kg, weil der 3D-Druck mit Turbo- und Detailmodus der variablen Düse einen ressourcenschonenden Leichtbau ermöglicht.