3D-Druck-Anlage

3D-Druck-Anlage mit mehreren Dosierköpfen zum Druck von Materialmix-Bauteilen. (Bild: Infotech)

Die 3D-Druck-Anlage basiert auf dem Modell IP-500 Desktop von Infotech, das in der Industrie als Entwicklungsanlage zum Einsatz kommt und durch seine Integrierbarkeit in größere Dosierzellen auch in der Fertigung verwendet wird. Das Besondere an der Anlagenkonstruktion ist ihre Mehrachsigkeit. Bis zu drei Dosierachsen können so parallel genutzt werden. Jede Achse lässt sich zudem mit einer anderen Ventiltechnik ausstatten.

Damit die verschiedenen Dosierventile schnell und unkompliziert ausgetauscht werden können, steht eine Universalschnittstelle zur Verfügung. Je nach Eigenschaften der Dosiermedien und den zu dosierenden Strukturen finden Jetventile, Druck-Zeit-Ventile oder Schneckendosiersysteme Verwendung. Sehr feine Strukturen mit Wandstärken von 250 μm und weniger lassen sich mit speziellen Mikrodosierventilen erreichen. Die Segmentierung der Struktur und die Zuweisung an die einzelnen Dosierventile ist im STL Modell (Anm. der Redaktion: STL (Standard Triangle Language) ist der Industriestandard-Dateityp für den 3D-Druck) hinterlegt und wird von der Slicersoftware korrekt im Dosierpattern umgesetzt.

Drucken bei Raumtemperatur

Der Druckprozess ist mit Freiformverfahren wie der Materialextrusion von Pasten oder dem Material-Jetting vergleichbar. Durch die drei Dosierachsen können drei unterschiedliche Materialien parallel für die Fertigung eines Bauteils eingesetzt werden. Die Dosierung der flüssigen Materialien erfolgt bei Raumtemperatur. Ein Aufwärmen des Bauteils oder Materials ist nicht notwendig. Das ist im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Filamentdruck ein Vorteil, da es den Prozess vereinfacht und zusätzlich für Energieeinsparungen sorgt.

Eine am Roboterkopf montierte UV-Einheit von Delo härtet das applizierte Material innerhalb von Sekunden aus. In der Software kann dabei festgelegt werden, ob die Aushärtung nach jeder einzelnen Schicht oder nach einer definierten Anzahl an Schichten erfolgen soll. Die effektiv aufgetragenen Schichtdicken werden mit einer berührungslosen Höhenmessung ermittelt. Damit lässt sich bei Bedarf der Arbeitsabstand der Dosiereinheiten dynamisch korrigieren.

3D-Drucksystem mit Multimaterial-Designs

Steuerung der Achsen

Höchste Dosiergenauigkeit erreicht die Anlage durch eine integrierte Echtzeitsteuerung. Die Portalachsen sind mit Linearmotoren und -encodern ausgestattet. Die Wiederholgenauigkeit ist mit 10 µm bei 3 Sigma spezifiziert und die Auflösung der Hauptachsen beträgt 0,2 µm. Beim Anfahren an eine definierte Position ist entscheidend, dass die Achsbewegung permanent mit einem geschlossenen Regelkreis kontrolliert wird. Synchronisierte Achsbewegungen sind für die additive Fertigung unabdingbar und mit dem eingesetzten Steuerungskonzept möglich.

Kalibrierung des Dosiersystems

Zum exakten Erkennen der Dosierposition sowie zum Kalibrieren des Dosiersystems dient eine am Roboterkopf mitfahrende Kamera. Bei der X- und Y-Offset-Kalibrierung wird nicht die Nadel beziehungsweise die Düse kalibriert, sondern der dosierte Punkt. Bei sehr präzisen Anwendungen besteht die Möglichkeit, mehrere Punkte auf eine transparente Folie zu dosieren. Der X- und Y-Offset wird durch statistische Filter anhand der Punktpositionen berechnet. Je nach Anforderung an die jeweilige Anwendung stehen verschiedene Beleuchtungen, Blickfeldgrößen und Bildauflösungen zur Verfügung.

Dosierkalibrierbandeinheit
Dosierkalibrierbandeinheit (Bild: Infotech)

Prozesssicherheit

Damit ein angefangener Druckauftrag nicht aufgrund von Prozessschwankungen abgebrochen wird, sorgen verschiedene Werkzeuge für die Prozesssicherheit. So weisen sowohl Hard- als auch Software der Anlage Funktionen zur Prozessüberwachung auf. Auch das Dosierresultat lässt sich unter anderem durch eine Überprüfung der Punkt- beziehungsweise Liniengröße bestimmen. Die Resultate können als Logfile gespeichert oder mit einer Traceability-Software weiterverarbeitet werden. Die Anbindung an einen Linienrechner steht als Option zur Verfügung.

Der Interactive Media Finder ist vor allem für die Prozessentwicklung ein zeitsparender, effizienter und intuitiv zu bedienender Helfer. Während des Live-Dosierens können Parameter verändert werden, was sich unmittelbar auf das Dosierergebnis auswirkt und beobachtet bzw. gemessen werden kann. Sobald die optimalen Parameter gefunden sind, können diese per Mausklick in der Datenbank gespeichert und in Anwendungsprogrammen abgerufen werden. (Lesen Sie auch: Wärmeleitpasten - so verarbeitet man hochviskose Materialien)

Dosiersoftware
Während des Dosierens können Änderungen in der Software vorgenommen werden, bis die optimalen Parameter gefunden sind (Bild: Infotech)

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer Viskositätskompensation. Dies geschieht anhand der gemessenen Dosierresultate wie Tropfendurchmesser oder Gewicht des Materials, das auf eine integrierte Analysewaage dosiert wird. Die entsprechenden Dosierparameter werden daraufhin automatisch angepasst. In der Regel kann im Dosier-Set zwischen zwei verschiedenen Dosierparametern ausgewählt werden. Das kann bei einem elektropneumatischen Jetventil beispielsweise der Kartuschendruck oder die Öffnungszeit sei. Die Viskositätskompensation stellt einen Ausgleich der chemisch bedingten Viskositätsschwankungen von Druckmaterialien sicher und sorgt somit ebenfalls für ein präzises Druckergebnis.

Reinigung des Dosierequipments

Die Reinigung der Dosiernadeln oder Dosierdüsen erfolgt vollautomatisch im Programm, je nach Bedarf nach einer gewünschten Anzahl Zyklen, Bauteilen oder nach einer definierten Zeitspanne. Die periodische Reinigung des gesamten Dosiersystems ist ein wichtiger Aspekt für präzises und wiederholbares Dosieren. Falls erforderlich, wird die X-, Y- und Z-Offset-Kalibrierung automatisch im Fertigungsprozess durchgeführt.

Materialien – funktional und kombinierbar

Bei den Materialien, mit denen sich auf der Anlage Materialmix-Bauteile fertigen lassen, handelt es sich um spezielle, photo-initiiert härtende und dualhärtende Epoxidharze von Delo. Im ausgehärteten Zustand sind sie mit Hochleistungskunststoffen wie Polyamid und PEEK vergleichbar. Durch ihre hohe Temperaturfestigkeit und Medienbeständigkeit eignen sie sich besonders für den Einsatz in der Mikro- und Automobilelektronik.

Die Materialien bringen je nach Anwendung verschiedene physikalische Eigenschaften wie Flexibilität, Transparenz oder Leitfähigkeit mit. Zudem lassen sie sich sehr gut miteinander kombinieren. Dadurch können funktionale Bauteile realisiert werden, die zum Beispiel flexible und harte Bereiche besitzen oder in denen transparente oder leitfähige Bereiche integriert sind. Das ist möglich, da die verschiedenen Druckmaterialien eine ähnliche chemische Basis haben und sich die lamellar aufgetragenen Schichten chemisch vernetzen. So entstehen homogene Festigkeiten sowohl innerhalb des Materials als auch unter den verschiedenen Materialien.

Zum Aufbauen von komplexen Geometrien mit Hinterschneidungen oder Hohlräumen kommt zusätzlich ein Stützmaterial zum Einsatz, das sich nach der finalen Aushärtung innerhalb weniger Minuten mit Wasser herauslösen lässt. Sowohl die verschiedenen Druckmaterialien als auch das Stützmaterial können präzise auf der dreiachsigen 3D-Druck-Anlage verarbeitet werden.

Funktionale Bauteile
Aus Delo-Materialien gefertigte funktionale Bauteile, z.B. mit flexiblen und harten Bereichen oder mit integrierten optischen Eigenschaften. (Bild: Delo)

Zusammenspiel aus Anlagentechnik und Druckmaterialien

Für einen reibungslosen Druckprozess ist ein abgestimmtes Zusammenspiel von Anlagentechnik und Materialien entscheidend. Mit der Systemlösung von Infotech und Delo haben Anwender nun die Möglichkeit, in einem Druckvorgang Materialmix-Bauteile mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaftsbereichen zu fertigen. Die kompakte und modulare Bauweise der Anlage gibt Anwendern dabei eine größtmögliche Flexibilität, da sie sowohl auf kleinstem Raum eingesetzt werden kann als auch in bestehende Fertigungsanlagen integrierbar ist.

Der Autor

Bruno Affolter
(Bild: Infotech)

Bruno Affolter, Infotech AG, Solothurn/Schweiz

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