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3D Drucker: Filamente adieu, jetzt kommt der Granulatdrucker.

Wenn wir berücksichtigen welchen Weg der Kunststoff beim FFF also mit dem 3D Druckverfahren durchläuft, dann müssen wir bei der Herstellungder Filamente beginnen. Spezielle Granulate, nicht alles was handelsüblich ist eignet sich, werden eingeschmolzen um die Kunststoffdrähte zu ziehen. Diese Filamente werden dann abermals im Extruder  des 3D-Druckers eingeschmolzen und als Stränge aufgetragen. Von Anfang an musste es klar sein, das das doppelte Einschmelzen nur eine Übergangslösung ist bis man eine Technik gefunden hat wo ein einziger Extruder reicht und den Umweg über Filamente überflüssig macht. Zudem belastet ein zweifaches Schmelzen den Kunststoff und mindert dessen Qualität und so auch die Qualität des gedruckten Objekts. Was weiterhin gegen die technische Lösung mit Filamente spricht ist der hohe Preis der Filamente.

Der Kilopreis der Filamente bewegt sich beginnend von unter 30 € und reicht  dann bis um die 1.000 € bei Hochleistungskunststoffe wie PEEK.  Bei Preisvergleichen muss darauf geachtet werden wieviel Kunststoff die Spulen enthalten, denn Spule ist nicht gleich Spule. Bei Hochleistungskunststoffen kann das Gewicht nur einige Gramm betragen. Bei dem weiteren Nachteil der 3D-Drucker mit  der Filamenttechnik, der nervend hohen Druckzeit, fällt der Preis der Filamente nur relativ ins Gewicht, denn man druckt nur Einzelteile als Anschauungsobjekt und vorwiegend Kleinteile. Das die Preise der Filamente schmerzlich hoch sind hängt mit dem hohen Produktionsaufwand und den hohen Vertriebskosten zusammen.  Kunststoffe nehmen Feuchtigkeit auf und das ist schlecht für das Druckergebnis. Deswegen entscheidet sich der Handel auf kleine Einheiten der auf Spulen aufgewickelten Drähte. Der enorme Preisunterschied der Filamente zu den  Granulaten wie sie für Spritzgussmaschinen im Handel sind,  die nervend langsame Geschwindigkeit der Filamenttechnik, das generierte in uns eine Herausforderung einen 3 D Drucker zu entwickeln, der Granulat statt Filamente verarbeitet und das auch Hochleistungskunststoffe, zusätzlich mit oder ohne Fasern. Schaut man sich die Druckergebnisse der üblichen FFF Filamentdrucker unter google Bilder an, dann sind es vorwiegend Anschauungsteile um durch komplexe Geometrieen einen Stauneffekt zu erzeugen,  funktionelle Teile sind kaum zu finden. Neben den 3 D Druckern mit Kunststoffdrahteinzug gibt es noch Drucker mit den verschiedensten Verfahren und welche Technik in Zukunft sich behauptet wird sich zeigen, denn irgend einen gravierenden Nachteil haben alle. Entweder kosten die geeigneten Kunststoffe ein Vermögen, oder es lassen sich nur eine geringe Auswahl von Kunststoffen drucken, oder die Druckgeschwindigkeit lässt mehr als zu wünschen übrig. Auffallend ist, das Hersteller zu den ausgedruckten Beispielen sehr selten die Druckzeit angeben.

Reif ist also die Zeit einen 3D Drucker auf den Markt zu bringen der an Stelle von Filamenten preiswerte Granulate wie sie für Spritzgussmaschinen im Handel sind verarbeitet, auch Hochleistungskunststoffe mit oder ohne Fasern. Dann das er auch mit hoher Geschwindigkeit druckt um Serienteile zu fertigen und, was am Ende auch wichtig ist,  und einen bezahlbaren Preis hat.

Das alles bietet unser 3D Drucker.

Unsere Lösung ist, Granulate direkt im Druckkopf einzuschmelzen und über eine Düse wie die FFF-Drucker auch in Strängen Schicht für Schicht aufzutragen. Und das mit hoher Geschwindigkeit. Selbst die teuersten FDM 3D Drucker, wir sprechen im Bereich von mehreren 100.000,00 €,  brauchen weit über das Doppelte an Druckzeit. Filamentdrucker die mit Düsen bis 1mm Durchmesser oder etwas darüber arbeiten sind selten. Wir können mit Düsen auch über 5 mm drucken, und so ist die Durchgangsfläche 25 Mal so groß. Dazu pressen wir den Kunststoff durch die Düse, und das steigert abermals die Druckgeschwindigkeit.

In der Auswahl der Kunststoffe bis zu den Hochleistungskunststoffen muss man bei unserer Maschine nicht wählerisch sein, von PC, PA, PPS,PSU bis zum PEEK ist alles möglich, immer entweder mit oder ohne Kohlenstofffasern und anderen Füllstoffen. Unser Druckkopf ist, um das Ausdrucken von Hochleistungskunststoffen möglich zumachen, für Temperaturen bis 410 Grad C ausgelegt, denn es hat sich gezeigt, das beim Aufschmelzverfahren höher Temperaturen besser sind als Temperaturen wie sie für Spritzgussmaschinen empfohlen werden. PSU fahren wir zum Beispiel mit 370 Grad C. PSU sehen wir als einen für die 3D Druckerei wichtigen Kunststoff: Es ist ein Hochleistungskunststoff, verzieht sich kaum beim Drucken und beim Abkühlen, macht weiterhin keine störende Gerüche und die aufgetragenen Lagen verschweißen sich hervorragend. Damit lassen sich schon viele technische Aufgaben abdecken. Werden Hochleistungskunststoffe und technische Kunststoffe zusätzlich mit Glas- oder Kohlenstofffasern versetzt dann steigert sich merklich die Hochwertigkeit. Einige Kohlenstofffasern haben die Eigenschaft, das sie beim Abkühlen länger werden und so dem Schrumpfen des Kunststoffes entgegen wirken. Das bedeutet Formstabilität auch bei großen Objekten wie Autokarosserien oder Bootskörper. Komplette Autokarosserien werden zur Zeit nur mit ABS mit

Unser 3 D Drucker.

Vergleich unserer Technik mit einer Asuwahl von Wettbewerbstechniken.

Der eklatante Unterschied unseres 3D Druckers zu allen bisherigen 3D Druckern ist nicht nur die Tauglichkeit für Granulate sondern das es handelsübliche Granulate der verschiedensten Kunststoffe sein können, Handelsüblich wie für Spritzgussmaschinen im Angebot und preislich sehr günstig, nur Bruchteile der Filamente. Alle bisherigen 3D-Kunststoffaufschmenlzverfahen stellen die Kunststoffindustrie vor der Herausforderung sich bitteschön den Maschinen an zu passen und geeignete Kunststoffe zu entwickeln. Umgekehrtes kommt nicht in Frage. Das ist nicht nur bei den 3D Druckern die Filamente verarbeiten so, sondern auch zum Beispiel bei der Jet Fusion Maschine von HP, und HP hat sogar eine Plattform eingerichtet um weltweit die Hersteller von Kunststoffen für die Entwicklung geeigneter Kunststoffe zu bewegen. Ob dann faserverstärkte Kunststoffe verarbeitbar sind, stellen wir als Frage in den Raum. Fasern dürften für die Zukunft eine wichtige Beimischung bleiben wenn es um größere Teile geht und so dürften auch die die von HP entwickelten Jet Fusion 3D Maschinen bei Teilen wie Karosserien, Bootsrümpfe und so weiter Grenzen haben. Diesen Markt hat HP wahrscheinlich auch nicht angepeilt, denn der von HP neben Elastomeren verwendete Kunststoff PA verzieht sich stark bei Abkühlung und nimmt Wasser auf, beides beeinflusst die Formstabilität. Trotzdem, zwischen uns und HP gibt es eine Pattsituation, denn wir können nicht Teile fertigen wie sie auf Jet Fusion Maschinen möglich sind, und HP kann nur spezielle Kunststoffe verarbeiten.

Mit dem Freiformer von Arburg gibt es einen weiteren 3D Drucker der Granulate verarbeitet. Der geschmolzene Kunststoff wird als Mikrotropfen aufgetragen. Mit dem Auftragen von Tropfen wird man wohl kaum an unsere Auftragsgeschwindigkeit rankommen, und ob verstärkte Kunststoffe druckbar sind wissen wir nicht, wir vermuten eher nicht. Anderseits lässt die Tropfenauftragung wohl wesentlich feinere Strukturen zu und dann die Hart-Weich-Kombination, Als Beispiel zeigt Arburg eine Zahnbürste.

So wird es für alle Verfahren einen Markt geben, auch für das für seine Druckgeschwindigkeit angepriesene 3D-Druckverfahren nach der Photopolymerisation kurz CLIP ( Continuous Liquid Interface Production ) genannt, wo das Teil aus speziellem flüssigen Harz gezogen und durch Wärmebestrahlung ausgehärtet wird. Die Marktakzeptanz dieser Technik wird abhängen wie belastbar, entflammbar, zugelassen für Lebensmittelkontakt und so weiter die Teile sind und was das Harz kostet und was der innerbetriebliche Umgang mit Harzen erfordert. Faserverstärkte Teile dürften wohl nicht möglich sein.

Zu den Anschaffungskosten des 3D Druckers wollen wir uns nicht äußern und überlässt diese Entscheidung dem Unternehmen das das Patent samt Know-how in Lizenz nimmt. Nach der einfachen Bauart des Druckkopfes und nach dem Rest der Maschine, vergleichbar mit den üblichen 3 D Druckern, dürfte der Preis, falls nicht verkaufspolitisch gesteuert, erschwinglich ausfallen, und wird angesichts der Möglichkeiten und der  Leistungen des Gerätes auch für Kleinstbetriebe zu empfehlen sein.Unser Prototyp hat uns bezogen auf Materialkosten 2.000,00 € gekostet.

Das Geheimnis unsere Druckkopfes ist eine einfache Lösung um aus einem Schmelzbad einen Kunststoffstrang exakt geregelt unter Druck ausfließen zu lassen. Während sich die Ingenieure die genau so an einer Granulatlösung arbeiten vermutlich an axialen Schnecken festbeißen, also Schnecken wie sie in Wurstmaschinen eingebaut sind, ist unsere Lösung eine radiale Schnecke, im Grunde eine flache Scheibe mit einem Kanal ähnlich den @. Dreht sich die Scheibe dann wird das Schmelzgut in die Mitte des Behälterbodens gefördert und durch die Düse gedrückt. Tendiert der Druck unter der Scheibe sich zu erhöhen, hebt sich die Scheibe und der Druck fällt sofort wieder zurück auf das Soll, Es pendelt sich ein Gleichgewicht ein. Zusätzlich zum Eigengewicht der Scheibe drückt eine Feder nach unten.

Ausgedruckte Funktionsteile:

Eine Förderschnecke aus PC mit 16 % Kohenstofffasern. Weil unser 3 D Drucker in der Lage ist Überhänge bis zu einer Steigung auch unter 30 Grad zu drucken, wurde die Schnecke ohhne Stützmaterial gedruckt.

 

 

Geradheitsprobe gedruckt mit PC und 14 % Kohlenstofffasern.

 

Behälter mit Schraubgewinde aus PC, Höhe = 41 cm; Seitenmaße 14 x 8 cm. Druckzeit 3 Stunden.

Noch nein Unterschied unseres FDM 3D Druckers zu den FDM 3 Druckern mit Drahtzuführung. Filamente sind bis zu 3 mm Durchmesser im Handel  und das scheint die technische Grenze zu sein. Lässt sich so erklären: Filamente sind auf Spulen gewickelt im Handel. Damit sich beim Schmelzen keine Dampfblasen bilden müssen die Drähte trocken sein. Nur, getrocknete Drähte lassen nur einen geringen Biegeradius zu und dieser wird größer je dicker der Draht ist. Weiterhin, der zugeführte Draht muss bis zur Drahtmitte gleichmäßig geschmolzen werden. Je dicker der Draht, um so länger braucht der Schmelzvorgang und einen Draht zu schieben der nur teilgeschmolzen ist bringt kein Druckergebnis. Ist der Drahtdurchmesser klein, muss auch die Düsen entsprechend klein sein und deswegen sind die Filamentdrucker nervend langsam. Anders bei unserem Drucker. Die Düsengröße kann je nach gewünschtem Strangdurchmesser gewählt werden. Und auch je nach Dünn-oder Dickflüssigkeit des Kunststoffes, ob mit oder ohne Fasern oder Füllgut. Also eine wesentlich höhere Flexibilität bei unserem Funktionsprinzip. Bei den Filamentdruckern erreichen wir mit 1 mm Düsendurchmesser schon die Schmerzgrenze wir können auch über 5mm gehen.