3D-Druck im Großraum mit Polymeren und Metall

3D-Großformatdruck 3D-Druck im Großraum mit Polymeren und Metall

07.02.2019Autor: Simone Käfer

In der Steiermark kommt man vom 3D-Kunststoffdruck wieder zurück zu den Wurzeln und arbeitet am indirekten Metalldruck. Aber auch einen neuen Druckkopf hat der Sondermaschinenbauer im Programm.

Firmen zum Thema

HAGE Sondermaschinenbau GmbH & Co. KG

Baß Antriebstechnik GmbH

GGB Heilbronn GmbH

JUNG Hebe- und Transporttechnik GmbH

Der HFFS-Druckkopf von Hage 3D mit wassergekühlten Siemens-Servomotoren, im Bild ohne Abdeckung.
(Bild: ©Simone Käfer, MM)

Ein Druckkopf, der an eine Standard-CNC-Maschine angeschlossen werden kann, erspart den Kauf eines 3D-Druckers.

Das FDM-Verfahren bot in den Augen von Hage Sondermaschinenbau eine größere Materialauswahl. Doch inzwischen erarbeiten sie sich auch metallische Werkstoffe für die Additive Fertigung.

Nach dem Einstieg in den indirekten Metalldruck soll das Maschinenportfolio um eine Hybridmaschine erweitert werden.

Man muss nicht immer gleich eine neue Maschine kaufen, wenn man nur gelegentlich große Bauteile additiv fertigen will. Wer eine CNC-Werkzeugmaschine besitzt, kann diese auch mit dem Hohlschaftkegel-(HSK-)Druckkopf von Hage 3D aufrüsten. „Die Spindelpositionierung der vorhandenen Werkzeugmaschine regelt den Filamentvorschub“, erklärt Thomas Janics, Leiter der Business Unit von Hage 3D. Der Druckkopf kann dadurch auf eine normale Werkzeugmaschine montiert werden. Um unabhängig von der CNC zu sein, liefert Hage eine Simatic-Add-on-Steuerung von Siemens mit, über die die Temperatur eingestellt und geregelt wird. Ebenfalls zum Lieferumfang gehört eine beheizte Bauplatte. Sie ist in drei Standardgrößen erhältlich, wird auf Wunsch aber auch individuell angefertigt. Da eine handelsübliche CNC-Werkzeugmaschine keinen beheizten Bauraum besitzt, empfiehlt Hage 3D dem Nutzer des HSK-Druckkopfs verzugsarme Kunststoffe wie PETG, PLA oder TPC. Für die Berechnung des G-Codes wird die Slicing-Software Simplify-3D mit einer Postprozessor-Software von Hage geliefert.

Aber eigentlich bauen die Österreicher Portalbearbeitungszentren und auch der Geschäftsbereich für Additive Fertigung, Hage 3D, fokussiert nicht den einzelnen Druckkopf. Nimmt man es genau, ist man bei Hage auch auf Metall spezialisiert. Doch Hage 3D begann mit Kunststoffen und einer FDM-Maschine. „Das Verfahren bot 2013, als wir damit anfingen, die größte Freiheit bei der Werkstoffauswahl“, erklärt Janics den Schritt. „Daran hat sich meines Erachtens bis heute noch nichts geändert.“ Inzwischen haben sich die Österreicher der Werkstoffextrusion, sprich der Heiß- und Kaltextrusion, verschrieben. Unter anderem kam diese Erweiterung durch Anfragen von Kunden, die mit Silikon und Kautschuk arbeiten wollten.

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Das Modell 140L von Hage 3D hat einen Bauraum von 700 mm × 500 mm × 400 mm mit einer aktiver Bauraumheizung von 85 °C, einer Druckbetttemperatur bis 140 °C und einer Düsentemperatur bis 450°C.

Der HSK-Druckkopf kann auf jeder CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine installiert werden.

Bei den Dualdruckköpfen wird der inaktive Extruder nach oben gezogen.

Das Geheimnis des HFFS ist der Riemenantrieb

Außerdem setzt Hage 3D auf den indirekten Metalldruck. Dafür eignet sich beispielsweise die 5-Achs-Maschine 175X, die neben Kunststoffen auch Metallfilamente druckt, wie Titan (Ti6Al4V), Edelstahl /17-4 ph oder BASF Ultrafuse 316LX. Das Verfahren des indirekten Metalldrucks wird auch als MIM (Metal Injection Moulding) bezeichnet und erinnert an das Binder Jetting. Dabei wird ein Metallpulver mit einem Bindemittel aus Kunststoff vermengt und nach dem Druck wird der Grünling gesintert. Nutzt man nun einen Standardextruder zum Druck, entsteht Abrieb auf der Oberfläche und die Druckgeschwindigkeit verringert sich, erklärt Janics. Deswegen hat Hage 3D dafür einen Druckkopf mit beidseitigem Riemenantrieb konzipiert, den HFFS-Druckkopf (HFFS steht für High Friction Feeding System). „Im Inneren des Druckkopfs sind Riemen mit einer Nut versehen, durch die das Filament gefördert wird“, beschreibt Janics die Technik. Die über 35 mm lange Auflagefläche zwischen den Riemen soll eine entsprechend hohe Einzugsreibung des Filaments gewährleisten, was vor allem bei spröden und hochgefüllten Materialien, aber auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten gängiger Filamente von Vorteil ist.

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Die jüngste Maschine von Hage 3D wiegt stattliche 2500 kg. Kein Wunder, umfassen die Außenmaße des 3D-Druckers 175C doch 2500 mm × 2500 mm × 2500 mm und sein Bauraum beträgt 1200 mm × 1200 mm × 800 mm. Letzterer ist bis auf 80 °C beheizbar, während es die drei Heizzonen des Druckbettes auf 140 °C schaffen. Bei den Werkstoffen können Anwender frei wählen unter ASA, ABS, PET-G, PLA, TPE, PA und PP. Auch möglich, aber „auf experimenteller Basis”, wie der Hersteller schreibt, ist die Verarbeitung von PC-ABS sowie der Hochtemperaturmaterialien EK, PSU, PPSU und gefüllte Systeme.

Mit dem HFFS-Druckkopf (High Friction Feeding System) können Schichten ab 0,05 mm gedruckt werden. Die Durchmesser der beiden Düsen sind auf 0,5 mm voreingestellt, Anwender können sich aber auch für Stärken von 0,3 bis 1,0 mm entscheiden. Die Positioniergenauigkeit gibt Hage mit < 0,05 mm in X und Y an, wobei die Druckgeschwindigkeit bei 90 bis 150 mm/s liegt. Sie ist an das verwendete Material gebunden wie die Aufbaurate mit maximal 150 g/h.

Da es sich beim Riemen um ein Verschleißteil handelt, wurde der Zugang zu den Riemen und deren Austausch bewusst wartungsfreundlich gehalten. Eine weitere Besonderheit des HFFS-Dualdruckkopfes ist das Zusammenspiel der beiden Düsen. Für einen sauberen Druck, ohne Streifen des Bauteils durch die inaktive Düse, zieht der Druckkopf seine zweite, ungenutzte Düse einige Millimeter nach oben. Außerdem wird der Druckkopf wassergekühlt, um eine vorzeitige Erwärmung des Filaments und somit Veränderung der Viskosität im beheizten Bauraum zu verhindren.

Hage will mit dem Kostenfaktor punkten

Neben der großen Materialauswahl spricht auch der Kostenfaktor für den 3D-Kunststoffdruck. Denn Metallpulver hat seinen Preis – sowie die entsprechenden additiven Maschinen. Mit Letzterem will Hage 3D punkten. „Mit unseren OEMs haben wir unterschiedliche Stückkostenkalkulationen durchgeführt. Es kommt zwar auf die Abschreibdauer an, aber bisher lagen wir immer mit allen Maschinenstundenkosten weit unter jeder CNC-Maschine“, setzt Janics dem Argument der hohen Maschinenkosten entgegen.

Janics gewährt noch einen Blick in das künftige Maschinenprogramm. „Der nächste Schritt geht für uns in Richtung Hybridmaschine“, verrät er. Geplant ist, in einer Maschine sowohl einen Druckkopf für die Additive Fertigung als auch einen Fräskopf oder eine Vorrichtung zum Glätten der Oberfläche unterzubringen.