3D-Druck

Hochleistungsextrusion für spezielle Filamente

Ein breites Werkstoffspektrum von ABS bis PMMA wird in einer Hochleistungs-Extrusionsanlage mit besonders geringen Toleranzen und effizient zu Filamenten für den 3D-Druck aufbereitet.

Filamente für den hochqualitativen 3D-Druck stellen hohe Anforderungen an den Extrusionsprozess. (Bilder: Akma)

Entwickelt und gebaut wurde die Anlage nach Angaben des Maschinen- und Anlagenbauers Akma Technology für einen osteuropäischen Kunden. Er produziert darauf Qualitätsfilamente zur Verwendung in Hochleistungs-3D Druckern.

Die Anforderungen an die Extrusion sind hoch gesteckt: Kunststoffe wie ABS, PLA, ASA und PMMA müssen – mit und ohne Farbzumischung – zu Filamenten mit Durchmessern zwischen 1,75 und 4 Millimetern bei einer Toleranz kleiner 0,03 Millimeter hergestellt werden. Dabei dürfen die Filamente über den Quer-, und Längsschnitt keinerlei Vakuolen (kleinste Hohlräume) im Gefüge aufweisen. Die hohen Anforderungen stellt der Anlagenbetreiber, weil jede Geometrie- oder Gefügeabweichung zu Unregelmäßigkeiten bei Oberfläche und Struktur des Druckobjekts und damit zu Qualitätsminderungen führen kann.

Herz der für einen Verarbeiter realisierten Anlage ist eine Prozesssteuerung, die alle relevanten Parameter steuert und dokumentiert. (Bild: Akma)

Aus Erfahrungen mit Konstruktion und Bau von Extrusionsanlagen für Vollstäbe aus PA 6.6 mit besonderen Ansprüchen an Oberflächen, Gefüge und Toleranzen hat Akma das Projekt zur Filamentproduktion angenommen. Zur Erfüllung der zugesicherten Anforderungen der Filamentextrusion haben sich die Entwickler und Konstrukteure an den Eigenschaften der unterschiedlichen zu verarbeitenden Werkstoffe orientiert. Maßgebende Größen sind hier die Plastifizierung, die Aufschmelz-, und Verarbeitungstemperatur, die Viskosität sowie die Rückkühlung der Werkstoffe auf Erstarrungstemperatur und Raumtemperatur.

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Vor allem die Rückkühlung der Filamente auf Raumtemperatur birgt ein hohes Prozessrisiko. Dieses ist mit einer exponentiell verlaufenden Abkühlkurve nach der Extrusion minimiert. Eine lineare Abkühlung, die bei anderen Extrusionsprozessen häufig umgesetzt wird, bringt bei einer Vollstabextrusion eine zu schnelle Abkühlung der Randzonen. Die dadurch entstehenden Randzonenspannungen führen zu ungleichmäßigen Gefügen im Kern des Filamentes und somit zu Vakuolen (Lunkern).

Die Kühlung ist so konzipiert, dass nur geringe Materialspannungen auftreten können. (Bild: Akma)

Weiteres Augenmerk gilt der Rheologie der verschiedenen zur Verarbeitung vorgesehenen Kunststoffe. Deren unterschiedlichen Fließeigenschaften sind maßgebende Konstruktionsgrößen. Werkzeugkopfausführung, Extruderschneckenauslegung und Kalibrierung bestimmen schließlich die Oberfläche, Geometrie und Gefügedichten der produzierten Filamente.

Die gesamte Prozesstechnik der Filamentextrusion ist neben den werkstoffabhängigen Auslegungsgrößen sehr geprägt von schnellen Arbeits-, und Prozesszyklen. Bei Prozessgeschwindigkeiten von 80 m/min und einem 1 Kilogramm Spulengewicht betragen die Spulenwechselzeiten zwischen 3,5 und 5 Minuten. Diese Wechselzeiten sind dank einer pfiffigen Prozessteuerung möglich: Die automatische Wicklertechnik, verschaltet mit abgestimmter Abzugs- und Materialspeichertechnik, ermöglicht diese kurzen Zyklen und sorgt für einen stabilen, hochverfügbaren Anlagenprozess. Der Personaleinsatz beschränkt sich auf einen Anlagenbediener.

Das Anlagenlayout: 1 Extruder, 2 Werkzeug, 3 Kühlbad mit beheizter Zone, 4 Materialspeicher für bis zu 220 Meter Material, 5 Wasserbad, 6 Durchmesserprüfung, 7 Abzug mit Umlenkung, 8 Geschwindigkeitsregelung des Abzugs, 9 Doppelwickler. (Bild: Akma)

Den Qualitätsnachweis der Filamente erbringt eine Mehrkopf-Messtechnik, deren Ergebnisse extern dokumentiert und gespeichert werden. Sie ist ebenfalls mit der Prozesssteuerung verlinkt. Dies ermöglicht nach Unternehmensangaben eine permanente, effiziente Linienaussteuerung, mit bis zu 16.000 Messungen pro Sekunde zur Realisierung auch hoher Qualitätsansprüche.

Eine kontinuierliche Datenverwaltung der Prozess-, Rezept- und Produktdaten ermöglicht die permanente Dokumentation des Extrusionsprozesses. Die Daten können für Barcodekennzeichnung, Produktdatenblatt oder Qualitätszeugnis für die jeweilige Produktionscharge aufbereitet und ausgegeben werden. Hierdurch sind alle Voraussetzungen für ein modernes Qualitätsmanagement gegeben.

In der Entwicklung der Filamentherstellung sieht Akma noch viel „Luft nach oben“: Neue Materialgemische wie Keramik-Kunststoff, Naturfaser-Kunststoff, Metall-Kunststoff, Nichteisenmetalle-Kunststoffe oder „Superbatches“ aus mehreren Materialien werden rasant zunehmen. Hier seien mehrere Entwicklungen im Gange, beispielsweise für die Verarbeitung von PEEK, PTFE und Werkstoffen, die mit hohen Temperaturen verarbeitet werden müssen. Themen der Rückkühlung, der Werkzeug- und der Verfahrenstechnik sowie die Batchherstellung seien zum Teil gemeinsam mit Forschungs-, und Entwicklungsinstituten in Österreich sowie der Hochschule Koblenz in Bearbeitung.

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