Funktionsbauteile: 3D-Drucker kombiniert Endloscarbonfaser und Hochleistungspolymere

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Der Wizard von aps techsolutions kann als erstes Fertigungssystem seiner Art Bauteile aus einer Kombination von Hochleistungspolymeren und Endloscarbonfasern drucken.

• Die additive Fertigung gilt als zukünftige Schlüsseltechnologie und steht am Anfang der breiten industriellen Anwendung.

• Den Weg dorthin will auch das Unternehmen aps techsolutions aus Vorarlberg mit dem Wizard 480+ ebnen.

• Als weltweit erstes Fertigungssystem kann der Wizard Funktionsbauteile aus einer Kombination von Hochleistungspolymeren und Endloscarbonfaser drucken und dabei sogar Metalldrähte verarbeiten.

2017 suchten die Maschinenbauer von aps techsolutions aus Höchst (Vorarlberg) nach einem additiven Fertigungssystem – sprich einem 3D-Drucker auf Industrie-Niveau – um unterschiedliche Materialen und dabei insbesondere Endloscarbonfaser in einem Bauteil verarbeiten zu können. Das System sollte außerdem hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit gewährleisten sowie erweiterbar und ausbaufähig sein. Die Suche blieb erfolglos. Denn es gab keinen 3D-Drucker, der diese Anforderungen erfüllte. Das Entwicklerteam fasste daher den Entschluss, sein eigenes System zu konstruieren. Das dies schließlich gelang, verdankt sich nicht nur der Expertise und dem Erfindungsreichtum, sondern auch dem starken Teambewusstsein der Ingenieure von aps techsolutions.

Erst das Material, dann die Verarbeitung

Statt sich an bisherigen Lösungen zu orientieren, begann die Reise in der Materialforschung. „Wir haben uns zunächst nicht auf die Verarbeitung, sondern auf das Material konzentriert, aus dem wir Bauteile fertigen wollten – also auf Endloscarbonfaser“, so das Entwicklerteam. Im Bereich der additiven Fertigung gilt der Endlosfaserdruck als Königsklasse. Ein Bauteil aus einer kontinuierlichen Materialfaser zu fertigen, verspricht hohe Festigkeit – umso mehr, wenn Kohlenstoff verwendet wird. Bauteile, die mit einer solchen Endloscarbonfaser gedruckt werden, sind in ihrer Belastbarkeit im Verhältnis zum Gewicht vergleichbaren Teilen aus Titan, Aluminium und Stahl weit überlegen. „Wir haben zunächst unsere eigene Endloscarbonfaser entwickelt, durch die diese Vorzüge noch stärker zu tragen kommen. Danach haben wir ein System geschaffen, um diese Fasertechnologie nutzen zu können“, erklärt das Entwicklerteam.  

Druckkopf-Technologie ermöglicht Kombination von Endloscarbonfaser und Hochleistungspolymeren

Das Ergebnis ist der Wizard 480+. Über drei Jahre Entwicklung stecken in der Industriemaschine, die eine Reihe innovativer Lösungen in sich vereint. Die einzigartige Druckkopftechnologie sticht dabei besonders heraus. Sie macht den Wizard zum weltweit einzigen additiven Fertigungssystem, das Funktionsbauteile aus einer Kombination von Hochleistungspolymeren und Endlosfasern fertigen sowie Metalllitzen (wie Kupferdraht) verarbeiten kann. Erfahrene Konstrukteure können dadurch Bauteile konstruieren, die in vielen Varianten elektrisch leitfähig, extrem belastbar, aber sehr leicht und an bestimmten Stellen sogar elastisch sind. Der Industrie eröffnen sich auf diese Weise neue Möglichkeiten in der Fertigung.

Bauteile ganz neu denken

„Durch unser System können die Funktionen von Bauteilen völlig neu gedacht werden“, sagt Konstrukteur Bernd Lechner. „Seine Vorteile zeigen sich aber auch schon in den Basics. Hier ein Beispiel: Unser Team benötigte für die Herstellung eines Bauteils eine Teilscheibe[1]. Da der ursprüngliche Hersteller dieser Teilscheibe nicht mehr am Markt aktiv war, hätte die Beauftragung eines Spezialunternehmens Kosten von circa 700 Euro und eine Lieferzeit von mindestens fünf Wochen bedeutet. Mit dem Wizard konstruierten unsere Ingenieure die Scheibe innerhalb einer Stunde und druckten sie in drei Stunden mit Materialkosten von nur fünf Euro aus.“

Abseits solcher Standardprozeduren gilt: Je spezieller die Anforderungen an ein Bauteil, desto weniger 3D-Drucker können diese erfüllen. Manche Fertigungsprozesse sind derzeit ausschließlich mit dem Wizard möglich, andere erfahren durch ihn einen enormen Qualitätsschub. Im Auftrag von "Swiss Innovation – Swiss Smart Factory" verbesserte aps techsolutions etwa die Stabilität eines Drohnenarms substantiell. Die Konstruktion selbst blieb unverändert, den entscheidenden Unterschied lieferte die Technologie der Vorarlberger.

Die additive Fertigung mittels Endlosfaserdrucks gilt in der Fachwelt als Schlüsseltechnologie der Zukunft. Mit dem Wizard 480+ rückt diese Zukunft bereits jetzt in greifbare Nähe. Anfragen für die Industriemaschine gibt es aus aller Welt, von Japan bis zu den größten Tech-Unternehmen in den USA. Zeitgleich arbeiten Forschungseinrichtungen wie das deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) daran, das Potential des neuen Verfahrens sichtbar und vor allem nutzbar zu machen.^[2]

Weitere Informationen: https://aps-techsolutions.com/de

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[1] Teilscheiben werden verwendet, um punktgenau Bohrungen, Ausfräsungen etc. an Werkstücken vorzunehmen.

[2] https://leichtbau.dlr.de/empowerax_faserverstarkter_3d-druck