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3D Printing

Optimierte Produktion von ABS-Bauteilen

Dave Veisz, VP of Engineering bei Makerbot, erläutert hier die neusten Entwicklungen der zugänglichen additiven Fertigung.

Die Verbreitung technischer Materialien war bisher der Hauptantriebsfaktor für die Entwicklung der additiven Fertigung – vor allem ABS, das heute am weitesten verbreitete Fertigungsmaterial. Diese Einsatzmöglichkeit ist leider meistens beschränkt auf traditionelle Industriedrucker, deren Preis für die breite Masse nicht erschwinglich ist. Daher gibt es auf dem Markt inzwischen immer mehr preisgünstige 3D-Drucker. Diese verwenden ein vielversprechendes Material, das ABS-Materialien nachbildet, aber auch mit deutlichen Einschränkungen einhergeht. Dave Veisz, VP of Engineering bei Makerbot, untersucht diese Herausforderungen und erläutert hier die neusten Entwicklungen der zugänglichen additiven Fertigung, mit deren Hilfe Ingenieure und Hersteller diese Einschränkungen überwinden können – und die dazu beitragen, die bestehende Kluft zwischen industrieller additiver Fertigung der Spitzenklasse und Desktop 3D-Druck zu überbrücken.

Wer jemals das Pech hatte, auf einen Legostein zu treten, der weiss, wie unglaublich schmerzhaft – und unzerstörbar – diese kleinen Bausteine sein können. Die beeindruckende Kombination aus Härte und beträchtlicher Zugfestigkeit, sowie die glänzende Oberfläche sind darauf zurückzuführen, dass sie aus ABS hergestellt werden, ein weithin beliebtes thermoplastisches Polymer für im Spritzgussverfahren gefertigte Konsumgüter. Neben hoher Zugfestigkeit verfügt ABS über weitere beeindruckende Materialeigenschaften, darunter hohe Temperaturbeständigkeit, Wiederverwertbarkeit, hohe Chemikalienbeständigkeit und geringe elektrische Leitfähigkeit. Aus diesem Grund wird ABS zur Herstellung zahlreicher Alltagsgegenstände verwendet, von Autoarmaturenbrettern über Elektrogehäuse bis hin zu Computertastaturen und natürlich auch Kinderspielzeug. Die meisten ABS-Bauteile werden mit konventionellen Fertigungsmethoden wie Spritzgussverfahren hergestellt. Die industrielle additive Fertigung wird jedoch zunehmend beliebter für die schnelle Herstellung von ABS-Prototypen und die kostengünstige Fertigung von Endteilen mit geringen Stückzahlen. Die Möglichkeit der Produktion von Bauteilen aus echtem technischem ABS mit hochwertigeren 3D-Druckern ist inzwischen weit verbreitet. Der additiven Desktop-Fertigung fiel es jedoch lange Zeit schwer, diese Bauteile so zuverlässig und reproduzierbar zu fertigen wie es Produktdesigner oder Ingenieure erwarten würden. 

Die Herausforderung

Das Problem beruht auf der hohen Temperaturbeständigkeit sowie dem hohen Schmelzpunkt von ABS. Beim Abkühlen lösen sich Schichten ab, dies führt zu einer erheblichen Schwächung der Bauteilstruktur und letztlich zu Krümmungen und Rissen – der Grund für die ursprüngliche Entscheidung für ABS verliert hierdurch wesentlich an Bedeutung. Wenn ein Bauteil durch Löschen abgekühlt wird, wirken wegen des Luftkontakts Schrumpfungskräfte darauf ein. Wenn man mit einem Desktop-3D-Drucker Bauteile aus ABS fertigt, sind ein kontrollierter Abkühlungsprozess und eine geschlossene Kammer daher sehr zu empfehlen. Je größer das Bauteil, desto wahrscheinlicher ist es, dass Schrumpfungskräfte eine Rolle spielen und das Ergebnis verkrümmt oder verdreht ist. Einige Ingenieure verzichten möglicherweise gänzlich auf ABS und verwenden andere Materialien wie PLA. Dieses erfordert normalerweise eine geringere Drucktemperatur von 190-230° (bei ABS werden 210-250° empfohlen). Außerdem besteht ein geringeres Krümmungsrisiko. Der niedrige Schmelzpunkt von PLA hat jedoch seinen Preis: Bei einer Erhitzung über 50° geht ein Großteil der Zugfestigkeit verloren und dies führt dazu, dass das Bauteil brüchig wird. 

Die meisten Lösungen laufen auf zwei grundlegende Vorgehensweisen hinaus: entweder man wechselt das Material oder den 3D-Drucker. Im Internet findet man zahlreiche modifizierte ABS-Materialien: thermochromische und durchsichtige, schwer entflammbare und sogar phosphoreszierende (im Dunkeln leuchtende) Materialien. Ingenieure können dank dieser chemischen Anpassungen frei wählen, welche Formel am besten zu ihrer spezifischen Anwendung passt. Diese geänderten Formeln haben aber in der Regel ihren Preis und oft sieht man ABS mit dem Zusatz "optimiert für 3D-Druck". Chemisch modifiziertes ABS kann die Wärmebeständigkeit verbessern – entweder durch Hinzugeben eines Zusatzstoffs oder durch einen höheren Polybutadienanteil (das B in ABS). Man muss dies jedoch abwägen gegenüber einigen Nachteilen: niedrigere Formbeständigkeitstemperaturen, geringeres Zugmodul und geringere Zugfestigkeit. Dies kann zu einem minderwertigeren Produkt führen, das völlig ungeeignet ist für viele Hochleistungsanwendungen, bei denen ABS verwendet wird, wie etwa in der Fertigung von Bauteilen für die Automobil- und Luftfahrtbranche. 

Die Entwicklung zur zugänglicher additiver-Fertigung für "echtes ABS"

Wenn eine Änderung des Materials nicht den gewünschten Effekt hat, dann ist es naheliegend zu schauen ob es möglich ist den 3D-Drucker selbst zu manipulieren. Bei vielen der inzwischen auf dem Markt erhältlichen Desktop-3D-Drucker können Nutzer die Temperatur der Bauplatte steuern. Mit einer temperaturgesteuerten Heizplattform kann die Wärme teilweise an die Unterseite des 3D-gedruckten Bauteils geleitet werden. Dies verringert das Risiko einer Schichtablösung. Makerbot nutzte diesen Ansatz bei seinen früheren 3D-Druckern, musste jedoch feststellen, dass der Effekt gering ist. Die Temperatur kann mithilfe dieser Technik nicht gleichzeitig bei allen Schichten des Bauteils einheitlich gesteuert werden und ist daher anfälliger für Krümmungen und Risse.  

Bei der Entwicklung der neuen Produktreihe der Method-Drucker wurde beschlossen, die Temperatur der Baukammer zu steuern und nicht nur die Temperatur der Bauplatte. Statt einer einfachen Beheizung der Unterseite bietet die geschlossene Kammer die Möglichkeit des Wärmeumlaufs innerhalb der Kammer, indem Luft von beiden Seiten weitergeleitet wird. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle, da jede Schicht in einer Umgebung mit der gleichen Temperatur gedruckt wird und es nicht erforderlich ist, an den Druckereinstellungen "herumzuspielen". Mit dieser Technologie können Ingenieure maßgenaue ABS-Bauteile für gewerbliche Anwendungen bedeutend kostengünstiger als bei einer herkömmlichen Fertigung erstellen.
Aber auch bei dem neuen Ansatz der Temperatursteuerung der Baufläche hat man immer noch mit Herausforderungen zu kämpfen. Da sich der Extruder in einer wärmeren Umgebung befindet, besteht ein Expansionsrisiko. Dies wirft die Frage auf, warum wir uns so entschlossen gegen diese Materialeigenschaften zur Wehr setzen, wenn Desktop-3D-Drucker, die ABS verwenden, ein grundlegendes Wärmeproblem haben. 

Schnellere Markteinführung

Die Erklärung hierfür ist darin zu suchen, wie wir uns die Fertigungsindustrie der Zukunft vorstellen: Als ein auf additiver Fertigung basierendes dezentralisiertes, bedarfsgerechtes Produktionsmodell. Für die Massenproduktion wird in Spritzgussverfahren verarbeitetes ABS in den kommenden Jahren weiterhin die erste Wahl bleiben, weil es schnell geht und kostengünstig ist. Aber wenn Stückzahlen im zwei-, drei- oder sogar vierstelligen Bereich bzw. individuell angepasste Produkte hergestellt werden, ist die additive Fertigung klar im Vorteil. Dies sprengt die herkömmliche Wirtschaftlichkeitsanalyse, die bei der Entwicklung von Werkzeug, von Prototypen oder von Endbauteilen normalerweise zum Einsatz kommt. Designs können schneller getestet und reproduziert werden. Dies beschleunigt die Innovation und die Markteinführung, und all dies zu weitaus geringeren Kosten als bei konventionellen Methoden.

Additive Fertigung für eine breitere Zielgruppe

Die Nutzung mit echtem technischem ABS ermöglicht es, die Vorteile der additiven Fertigung einer breiteren Zielgruppe zugänglich zu machen. Im Gegensatz zu traditionellen 3D-Druck Methoden können Ingenieure, die bisher große und teure Industrie-3D-Drucker verwenden mussten, nun kostengüstig ihren ABS-Anforderungen gerecht werden. Deshalb ist der kürzlich eingeführte 3D-Drucker Method X ein wichtiger Schritt für die technische additive Fertigung. Er bietet Designern und Ingenieuren Zugang zu technischem ABS für präzisere Funktionsprototypen, sowie stabilere und zuverlässigere Produktionsbauteile. All Axis Robotics ist ein hervorragendes Beispiel dafür, was man mit additiver Fertigung erreicht, wenn man echtes ABS verwendet. Um die Gestaltung seiner individuellen Roboterendeffektoren an die Produktionshalle anzupassen, musste das Unternehmen einen maßgeschneiderten ABS-Bauteilschleifer fertigen. Mit dem 3D-Drucker Method X konnte das Team den Schleifer in wenigen Stunden aus äußerst harten und beständigen ABS-Material fertigen und so die hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten, die bei externen Lieferanten in der Regel anfallen, vermeiden. 

Für die Produktion war ABS noch nie so wichtig. Im Zuge der Entwicklungen bei der additiven Fertigung sollte es zu einer weitergehenden Ausdehnung der Möglichkeiten innerhalb der Branche als Alternative zu konventionellen Methoden kommen. Große und teurere Industrie-3D-Drucker sind für bestimmte industrielle ABS-Anforderungen immer noch ein wichtiges Werkzeug, jedoch eröffnen Desktop-3D-Drucker mit echtem technischem ABS, Ingenieuren zweifellos zahlreiche neue Möglichkeiten für ein größeres Zielpublikum.