Neues Engineering für bekannte 3D-Drucker

Den neuen Freeformer 750-3X unterscheidet von seinem Vorgänger 300-3X in erster Linie ein größeres Bauvolumen. Die Bauplatte ist mit 75 cm²  rund 2,5-mal so groß – bei unveränderten Außenabmessungen. Gleichzeitig soll der Prozess schneller und wirtschaftlicher sein. Wie hat Arburg das hinbekommen?

Für den Prozess ist die Gestica-Steuerung ein essenzieller Punkt. Sie wurde hinsichtlich Prozessstabilität, Bauteilqualität und Bauzeit für die Additive Fertigung mit dem Freeformer optimiert. Die Gestica verbaut Arburg auch in seinen Spritzgießmaschinen. Doch Spritzguss und das Materialextrusionsverfahren unterscheiden sich. Ein offensichtlicher Unterschied: Beim Freeformer gibt es kein Werkzeug und keinen zyklischen Prozess. Hier wird der Ablauf durch Material- und Schichtwechsel bestimmt. Daher zeigt Freeformer-Gestica den Bauraum mit dem geladenen Bauauftrag an und kann mit Bauaufträgen und Materialprofilen umgehen. Auch der komplette Workflow für das additive Extrusionsverfahren ist in der Gestica dargestellt – vom Laden des Bauauftrags über Vorbereitung und Produktion bis hin zum Abkühlen des Bauteils. Für die Auftragsvorbereitung an der Maschine kann die Gestica einen intelligenten Anfahrablauf angeben, der vom Hochheizen über das Ausspülen von Material bis zur Arbeitspunktsuche alle erforderlichen Aktionen selbstständig durchführt.

Praktisch ist, dass sich der Freeformer in Kombination mit der Einschaltautomatik zu einem definierten Zeitpunkt selbst startet. Wichtiger ist, dass die Steuerung laut Arburg den vorausberechneten Materialverbrauch nutzt, um eine optimale Materialaufbereitung und einen unterbrechungsfreien Fertigungsprozess zu gewährleisten. Zudem können die von der Steuerung erzeugten Produktionsprotokolle im Kundenportal „arburgXworld“ hochgeladen und ausgewertet werden.

In Sachen Größe geht es an die Materialeinheit. Sie wurde neu gedacht. Dazu wurden zwei Servomotoren von AMK eingesetzt, die wesentlich kleiner sind. Und die Extruderdüse, aus der das geschmolzene Granulat läuft, wurde zum tiefsten Punkt in diesem Bereich. Zuvor ging hinter der Bauplattform die Auftragseinheit nach unten, wodurch die Düse nicht weit zurückgefahren werden konnte. So schaffte Arburg mehr Platz nach hinten, also für die y-Achse. Gleichzeitig rücken die drei Austragseinheiten in x-Richtung enger zusammen. Denn ihre Bauform ist um 100 mm schmaler als die des 300-3x. Jetzt ist mehr Platz für die Bauplattform, die nun 330 mm × 230 mm × 230 mm misst.

Für mehr Präzision wurde auch die Dosiereinheit überarbeitet. In den Vorgänger-Maschinen wurde ein definiertes Materialvolumen dosiert, sobald die Plastifizierschnecke ihre vordere Position erreicht hat. So verbrachte das Polymer teilweise unnötig viel Zeit im Plastifizierzylinder, was seine thermische Belastung steigerte. Um die Verweilzeit im Plastifizierzylinder zu verkürzen, wird nun anhand der Slicing-Daten berechnet, wie viel Material jede Schicht benötigt. Durch Auswertung des vorausberechneten Materialbedarfs wird das Material hinsichtlich Zeitpunkt und Menge optimal bereitgestellt. Das heißt, jetzt sind sowohl der Zeitpunkt als auch das Volumen variabel. Ein weiterer Vorteil davon: Das Dosieren findet parallel zum Bauprozess statt.

Um schneller zwischen unterschiedlichen Granulaten zu wechseln, etwa zwischen Bau- und Stützmaterial, kann der neue Freeformer auch parallel dosieren. Außerdem wurde die Datenaufbereitung für Gitterstrukturen und Break-away-Supports überarbeitet. Break-away-Supports sind Stützstrukturen, die leicht abzubrechen sind. Gitterstrukturen konnte der Freeformer zuvor nicht als Supports umsetzen. Doch Gitter-Geometrien sind schneller aufgebaut und verbrauchen weniger Material.

Nebenbei haben die Ingenieure von Arburg den Freeformer auch günstiger gebaut. Dazu ersetzten sie automatische Elemente durch manuelle Elemente, bei denen laut Arburg Anwender nicht zwingend Automatisierung benötigen. Konkret handelt es sich um die Bauraumabsperrung, die nun manuell geöffnet und geschlossen wird, sowie die Vorkrafteinspannung. Mit letzterer werden Düsen nachgestellt, um einen Düsenverschluss zu verhindern. Bei den aktuellen Düsen ist das jedoch nur noch ein Mal pro Quartal nötig. Das geht auch per Hand, meint Arburg.

Trumpf hat seine Einsteiger-Maschine Truprint 1000 für die Serienfertigung aufgerüstet. Da die Truprint 1000 speziell für den Dentalbereich gedacht ist, wird Beweglichkeit zu einem Kriterium. Damit Zahntechniker und -ärzte die Maschine nach Bedarf bewegen können, steht sie auf Rollen und passt mit Außenmaßen von 780 mm × 2050 mm × 1160 mm durch jede normale Tür. Eine große Hilfe für Anwender: Die Maschine muss nicht mehr kalibriert werden. Dafür sorgt ein motorized Beam Expander. Dieser stellt automatisch den Spot des Lasers auf die Größe ein, die der Anwender für den Baujob benötigt. Die Einstellung gilt immer für den gesamten Baujob, Anpassungen während des Bauprozesses sind nicht möglich. „Je nachdem, welcher Spotdurchmesser im Datensatz für den Baujob hinterlegt ist, passt der motorized Beam Expander den Spot entweder auf den Durchmesser 55 oder 80 µm an“, verdeutlicht Fatih Arikcan, Applikationsexperte für die TruPrint 1000.

Auch praktisch sind der Pinsel für das Entpulvern, der im Drucker festgemacht ist, sowie die Glovebox (Handschuh-Öffnungen) in der Tür. So können die Bauteile ohne Öffnen der Tür entpackt werden. Dazu sind auch Boxen für das Restpulver angeschlossen, die direkt in die Siebstation zur Pulveraufbereitung führen. Dieser geschlossene Pulverkreislauf ist auch ein Gesundheitsaspekt.

Nicht wirklich neu ist das Bedieninterface. Die HMI wurde von den Truprints 2000 und 3000 übernommen. Auch die Schutzgasströmung ist aus den größeren Maschinen bekannt. Sie funktioniert folgendermaßen: Ein Schlauch leitet das Schutzgas zunächst in das 3D-Druck-System ein. Eine Pumpe wälzt es innerhalb des Bauraums um. Ein Filter, der mit der Pumpe verbunden ist, filtert das Schutzgas. Schmauch, der beim Drucken entsteht, bleibt im Filter hängen. Das saubere Schutzgas strömt zurück in den Bauraum. „Der Anwender spart dadurch Schutzgas, da er nicht durchgängig, sondern nur punktuell weiteres Schutzgas zuführen muss“, fügt Arikcan an.

Neu ist, dass in die Truprint 1000 eine primäre und eine sekundäre Schutzgasströmung eingebaut ist. Die Primärströmung ist auf die Bauplattform gerichtet und sorgt dafür, dass sich kein Schmauch auf dem 3D-gedruckten Bauteil festsetzt. Eine sekundäre Schutzgasströmung hält die Baukammer sauber, indem sie das Schutzgas im Bauraum nach unten drückt. „Dadurch setzt sich auch auf dem Schutzglas der Maschine kein Schmauch ab“, sagt Arikcan. Auch bei stark schmauchendem Werkzeugstahl soll das der Fall sein. „Dank der Primär- und Sekundärströmung“, so Arikcan weiter, „bleibt der Arbeitsraum auch nach mehreren Baujobs sauber und das Schutzglas verschmutzt nicht.“

Die saubere Atmosphäre der Baukammer ermöglicht höhere Schichtstärken. Denn eine saubere Atmosphäre in der Brennkammer sorgt dafür, dass die für den jeweiligen Baujob benötigte Laserleistung immer am Pulver ankommt. Diese höhere Energiedichte am Pulver ermöglicht es, höhere Schichtstärken zu drucken. Das steigert die Produktivität der Anlage und verbessert die Qualität der additiv gefertigten Bauteile.

Nach etwa sechs Baujobs sollten Anwender das Schutzglas am Laser säubern. Das erleichtert Trumpf nun durch Schnellspanner, die das leidige Gefummel beim Abnehmen und Anbringen der Glasscheibe ersetzen. Auch an die Filter kommen Bediener nun schneller ran, da sie über die Maschinenseite zugänglich sind. Bei ihnen wird ein Wechsel alle 20 bis 30 Baujobs empfohlen.

Die Größe des Laserspots ist jetzt von 55 bis 80 µm variierbar – auch während des Baujobs. Außer natürlich, man nutzt den motorized Beam Expander. Der kleine Durchmesser ist für Metallpulver gedacht, die eine höhere Energiedichte benötigen. Mit dem 80-µm-Spot sind Bauteile schneller gefertigt. Außerdem kann ein zweiter Laser eingebaut werden. Beide Laser können die gesamte Bauplatte bearbeiten. So hat Trumpf die Bauraten der Maschine verdoppelt. Bei Schichtstärken von 30 µm dauert ein Baujob nun 3,5 Stunden, bei 20 µm nur 5 Stunden.

Bis zu vier Bauplatten können Nutzer der Funktion „Multiplate“ im Bauzylinder übereinander stapeln, die Anlage bedruckt sie nacheinander mit Bauteilen. Die bedruckten Platten schiebt die Maschine in den Überlauf-Zylinder. Dort werden sie wieder gestapelt. Damit die gedruckten Werkstücke dabei keinen Schaden nehmen, druckt die Maschine während des Baujobs auf die einzelnen Bauplatten kleine Schutzwände. Wenn alle vier Platten bedruckt sind, kann der Anwender sie herausnehmen.

Das spanische BCN3D Technologies hat seine Epsilon-Serie verfeinert. Verbesserungen an der Hardware, vorwiegend an der Elektronik, wurden vorgenommen. Die Epsilon-Drucker arbeiten mit Filament (FDM, Materialextrusion). Die Materialien reichen von Kunststoffen über Verbundwerkstoffe bis zu Metallen und kommen von BASF und Mitsubishi Chemical. Das offene System erlaubt auch Filamente anderer Anbieter. Die Dimension des Bauraums liegt beim Epsilon W50 bei 420 mm × 300 mm × 400 mm und bei 420 mm × 300 mm × 220 mm beim W27.

Das ehemalige Belüftungssystem führte kalte Luft in die Ventilatoren mit Absaugung zu einem anderen Gitter. Dies führte zu Turbulenzen im Inneren und gelegentlichen Ineffizienzen. Um dies zu beheben, wird der heiße Luftstrom nun aus dem Innenraum abgesaugt und der Innendruck gesenkt, damit der Innenraum Luft von außen aufnehmen kann.

Der Motortreiber Trinamic TMC2130 wurde durch den TMC2226 ersetzt. Der Neue ist nicht nur sehr leise, sondern auch effizienter und besitzt ein besseres Drehmoment. Während die Vorgänger Kühlkörper benötigten, erwärmen sich diese nur sehr wenig. Zusätzlich wurde das Mainboard speziell auf die Epsilon-Serie abgestimmt. Anstatt aus mehreren Teilen, die quer im Drucker verteilt sind, besteht diese Sonderanfertigung nur aus einer einzigen Platine. Dadurch ist das Mainboard einfacher und effizienter.

Ein interner Webserver ermöglicht Anwendern den Zugriff über eine lokale IP-Adresse. Dateien senden, Druckaufträge überwachen, pausieren und stornieren aus der Ferne ist damit kein Problem. Ältere Drucker-Versionen können auch aufgerüstet werden.

Die neue Autokalibrierung soll den Drucker auf Knopfdruck für den nächsten Baujob vorbereiten – in nur 6 Minuten. Für die automatische Kalibrierung werden mehrere Punkte gemessen, um den Abstand zwischen beiden Düsen und dem Druckbett automatisch anzupassen.