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Lineartechnik Präzise Linearführung für revolutionären 3D-Drucker

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Ein 3D-Drucker, der verschiedene Spritzgussgranulate statt teurer Kunststofffilamente verarbeiten kann, soll den 3D-Druck revolutionieren. Die Positionierung der Druckköpfe übernimmt die GV3-Linearführung von Hepco Motion.

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Im 3D-Drucker ExAM 255 ist das GV3-Linearführungssystem von Hepco Motion verbaut. Es besteht aus doppelseitig verstärkten Wälzlagerstahlschienen und, um mit der extremen Raumknappheit zurechtzukommen, hochqualitativen aber dennoch kostengünstigen Kompaktlagern mit kurzen Zapfen.
Im 3D-Drucker ExAM 255 ist das GV3-Linearführungssystem von Hepco Motion verbaut. Es besteht aus doppelseitig verstärkten Wälzlagerstahlschienen und, um mit der extremen Raumknappheit zurechtzukommen, hochqualitativen aber dennoch kostengünstigen Kompaktlagern mit kurzen Zapfen.
(Bild: AIM3D)

Der 3D-Drucker als Werkzeugmaschine des 21. Jahrhunderts – das ist die Vision der jungen Ingenieure des Rostocker Start-ups AIM3D. Ihrer Erfahrung nach scheitert eine weitverbreitete Nutzung der additiven Fertigung bis dato an den hohen Material- und Maschinenkosten, da viele 3D-Drucker nur mit einem Werkstoff arbeiten und oft auf recht teure Materialien für den Druck angewiesen sind. „Der 3D-Drucker sollte künftig wie eine Drehbank oder ein Fräsbearbeitungszentrum in jedem Betrieb seinen Platz haben“, sagt Robert Radon, Leiter Entwicklung Mechatronik bei AIM3D.

Wie bei jedem 3D-Drucker, ist Präzision besonders wichtig. Dafür bedarf es einer sehr genauen Positionierung der beiden Druckköpfe auch bei schnellen Taktfrequenzen.

Solide, präzise Linearführung gesucht

AIM3D benutzt Kompaktlager von Hepco Motion mit kurzem Zapfen aus der GV3-Reihe des britischen Herstellers. Bei dem kostengünstigen Lager sorgt die Kombination aus Kugel-Laufbahn-Konformität und niedrigem Radialspiel für gute Stabilität.
AIM3D benutzt Kompaktlager von Hepco Motion mit kurzem Zapfen aus der GV3-Reihe des britischen Herstellers. Bei dem kostengünstigen Lager sorgt die Kombination aus Kugel-Laufbahn-Konformität und niedrigem Radialspiel für gute Stabilität.
(Bild: Hepco Motion)

Am Anfang glaubte man bei AIM3D, dass es einfach sein würde, ein passendes Linearführungssystem für diese Ansprüche zu finden, da sie nicht außergewöhnlich kompliziert erschienen. Aber der Teufel steckte im Detail: „Wir waren auf der Suche nach einer soliden und präzisen Führung zum Heben und Senken der Druckköpfe und da es sich dabei auch um einen direkten Eingriffspunkt vom Benutzer zu Maschine handelt, war uns außerdem eine stimmige Haptik und wertige Optik der Linearführung wichtig“, erklärt René Zielke, Leiter der Anlagenentwicklung bei AIM3D. Diese Kombination zu einem akzeptablen Preis zu finden, erwies sich als Herausforderung. „Wir hatten einige Vertreter hier, aber gepasst hat es erst bei Hepco Motion“, fügt er hinzu.

Mark Völkers, Vertriebsmitarbeiter von Hepco Motion, beriet das Team von AIM3D. Er sagt: „Im Drucker gab es nicht viel Bauraum, zudem sind die Führungen durch die Beschleunigung von 2,5 m/s2 einer hohen Belastung ausgesetzt. Ideal eignete sich daher unser GV3-Linearführungssystem“.

Lager einfach nachjustieren

Zur Verwendung kamen im ExAM 255 doppelseitig verstärkt Wälzlagerstahlschienen und, um mit der extremen Raumknappheit zurechtzukommen, hochqualitative aber dennoch kostengünstigen Kompaktlager mit kurzen Zapfen. Ein wichtiger Pluspunkt des Systems war zudem, dass die Lager anders als bei Kugelumlauflagern beispielsweise, dank des V-Führungsprinzips einfach nachjustiert werden können, um so eventuell entstehendes Spiel zu beseitigen. „Die Möglichkeit zum Nachjustieren ist tatsächlich extrem wichtig, denn bereits 10 bis 20 Mikrometer bei der ersten Schicht sind entscheidend“ ergänzt Zielke.

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Ein weiteres Merkmal, das für die Nutzung von Hepcos Führungen sprach, ist die selbstreinigende Funktion. Schmutz- partikel werden dank des V-Führungsprinzips durch die Bewegung automatisch heraustransportiert. So bilden sich keine Ablagerungen, die die Lebensdauer beeinträchtigen.

„Was wir außerdem positiv fanden, ist, dass wir ein Muster zur Verfügung gestellt bekommen haben, mit dem wir experimentieren konnten“, begründet Zielke die Entscheidung für Hepco Motions GV3-System.

Universell einsetzbarer 3D-Drucker

Das Ergebnis der zweijährigen Entwicklungsarbeit bei AIM3D ist der zum Patent angemeldete AIM3D CEM E-1 Extruder, der nahezu jedes Spritzgussgranulat bis zu einem Durchmesser von 3 mm verarbeiten kann. Er ist im 3D-Drucker Ex AM 255 verbaut. „Das wirklich Besondere an ihm ist, dass der Kunde mit diesem Extruder kein teures Kunststofffilament oder Metallpulver zukaufen muss,“ erklärt Radon. Die Möglichkeit, normales Spritzgussgranulat zu verwenden, macht den Prozess kostengünstiger.

ExAM 255 ist weltweit der erste indus- trielle 3D-Drucker, der im CEM-Verfahren Metallwerkstücke herstellt und mit Spritzgussgranulat arbeitet.
ExAM 255 ist weltweit der erste indus- trielle 3D-Drucker, der im CEM-Verfahren Metallwerkstücke herstellt und mit Spritzgussgranulat arbeitet.
(Bild: AIM3D)

Außerdem kann sowohl für den Prototyp als auch für das finale Produkt derselbe Werkstoff verwendet werden. Dadurch wird für den Endkunden der Übergang vom Versuch zur Serie wirtschaftlicher und schneller. „Meines Erachtens sind wir bisher die einzige Firma, die einen derart universal einsetzbaren 3D-Drucker entwickelt hat. Es gibt zwar einige wenige, bei denen das Arbeiten mit Granulat möglich ist, nicht jedoch die Materialwahl beim Granulat selber“, erklärt Zielke.

Formgebung und Verschmelzung beim Druckprozess getrennt

Eine weitere Besonderheit des 3D-Druckers ist die Trennung der Formgebung und der Verschmelzung beim Druckprozess. Im Druckprozess selber wird nur das thermoplastische Trägermaterial miteinander verschmolzen, um dem Bauteil seine Form zu geben. Anschließend kann das Bauteil, der sogenannte Grünling, noch vor dem eigentlichen Sinterprozess nachgearbeitet werden, was zu einer weiteren Senkung der Werkzeug- und Maschinenkosten während der Nachbearbeitung führen kann. Erst dann wird das Grünteil in einem zweistufigen Prozess zunächst vom thermoplastischen Trägermaterial befreit und anschließend in einem Ofen gesintert.

Das Feedback, welches AIM3D bisher auf ihre Prototypen bekommen hat, ist vielversprechend. Gerade von Seiten der Autoindustrie gibt es großes Interesse. Aufgrund der guten Erfahrungen mit dem Linearführungssystem von Hepco Motion, das seit einem Jahr wartungsfrei läuft, wird man auch beim Serientyp beim Hersteller dieser Bauteile bleiben.

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