Q.Big 3D: Additive Fertigung im 3D-Extrusionsdruck für großvolumige Bauteile aus Kunststoff

3D-Extrusionsdrucker „Queen 1“ von Q.Big 3D - (Bilder: Q.Big 3D).

Das Start-up Q.BIG 3D aus Aalen, spezialisiert auf die Entwicklung wirtschaftlicher 3D-Drucker für die Herstellung großer 3D-Druck-Bauteile, präsentiert auf der Formnext 2023 mit dem 3D-Extrusions-Drucker „Queen 1“ die Option, großvolumige Bauteile werkzeuglos herzustellen. Die werkzeuglose Fertigung eröffnet den weiteren Unternehmensangaben zufolge Anwendern zeitnahe Time-to-Market-Strategien. Der Entfall der Werkzeugkosten und neue Strategien der Bauteil-Geometrie in der Konstruktion treffen demzufolge auf extrem kurze Amortisation der Anlagentechnik. Der besondere Clou gegenüber alternativen AM-Strategien sei der Einsatz von Standard-Granulaten ohne Filamente. Zur Formnext 2023 zeigt Q.BIG 3D eine Reihe von großen 3D-Bauteilen als Referenzen.

Ein Versuchsstand für ein Wasserkraftwerk im Maßstab 1:5 zum Nachweis des Wirkungsgrades der kompletten Anlage als Größenvergleich eines 3D-Bauteils von Voith (mit Q.BIG 3D- Gründerin Katja Herrmann).

Der 3D-Extrusions-Drucker „Queen 1“ druckt übergroße Polymer-Bauteile für den Anlagen- und Maschinenbau, für Nutzfahrzeuge und Landmaschinen bis hin zu ergonomischen und medizintechnischen Produkten. Der 3D-Extrusions-Druckkopf mit variablen Düsendurchmessern soll es ermöglichen, feine Oberflächen zu drucken und dennoch bis zu 40-mal schneller zu sein – verglichen mit dem 3D-Druck mit Filamenten. Basis dieser Anlagentechnik ist das VFGF-Verfahren (Variable Fused Granular Fabrication) der additiven Fertigung. Insbesondere bei kleinen und mittleren Serien von großvolumigen Bauteilen würden sich die Werrkzeugkosten überproportional in den Stückkosten niederschlagen. Daher würden sich im konventionellen Spitzgießen Grenzen der Wirtschaftlichkeit ergeben. Bisherige 3D-Druck-Strategien basieren auf dem Einsatz von Kunststoffgranulaten mit Filamenten. Die Anlagentechnik von Q.BIG 3D hingegen soll handelsübliche Kunststoffgranulate ohne Filamente verarbeiten mit einem Preisvorteil um ca. Faktor 7 bezogen auf die kg-Einstandspreise des Ausgangsmaterials.

Verkleidungsbauteil von Daimler

Flächige Bauteile zur Verkleidung in Automotive
Bei Nutzfahrzeugen und Landmaschinen werden zur Verkleidung großformatige Kunststoffteile eingesetzt. Je größer das Bauteil und je kleiner die Serie geplant sei, desto stärker würden sich die Werkzeugkosten in der Kalkulation der Stückkosten niederschlagen. Dieses Dilema umgeht den weiteren Unternehmensagaben zufolge eine 3D-Druck-Strategie mit der Anlagentechnik von Q.BIG 3D, die zudem den Vorteil des Einsatzes handelsüblicher Kunststoffgranulate ohne Filamente biete. Referenzteile fertigen Knauss Tabbert, John Deere und Daimler.

VFGF-Extrusions-Druckkopf mit variablem Düsendurchmesser ermöglicht gezielten Bauteilaufbau.

VFGF-Extrusions-Druckkopf mit variablem Düsendurchmesser ermöglicht gezielten Bauteilaufbau (Schema).

Das VFGF-Verfahren ermögliche feine Sichtflächen und genaue Lagetoleranzen bei geringen Spaltmaßen, also hohe Maßhaltigkeit. Zudem ergebe sich eine gute Spachtel- und Lackierbarbeit der Oberflächen und der Entfall von Nachbearbeitungen. Durch die Freiheitsgrade in der Konstruktion würden ergomomische Geometrien möglich. Außerdem könne Material eingespart werden, was einen gesteigerten Leichtbau ermögliche. Konventionelle Bauteile hingegen müssen als GFK oder CFK-Bauteile formgebunden gefertigt werden, was die Entwicklungszeiten und die Kostenstruktur erhöhe. Für die Konstrukteure interessant sei, neben der Geometriefreiheit mit extremen Hinterschnitten, die in der Spritzgießtechnik nicht darstellbar seien, ein schnelles Redesign zur Optimierung der Bauteile.

Beispiel eines großvolumigen Kunststofftanks

3D-Druck von Kunststofftanks für Wassermedien
Die additive Fertigung mittels VFGF-Verfahren mit dem 3D-Extrusionsdrucker „Queen 1“ von Q.BIG 3D soll sich vor allem für Kunststofftanks zur Reinigung oder Wasserbereitstellung anbieten. Die Geometriefreiheit einer AM-Strategie eigne sich ideal, um den Kunststofftank optimal ergonomisch zu konstruieren. Als Referenzen werden Bauteile für John Deere und Kärcher hergestellt. Anforderungen sind hier dickwandige, wasserdichte, medienresistente HD-PE-Bauteile mit Wandstärken um 8 mm. Gegenüber klassischen Verfahren, wie Rotationsgießen oder Extrusionsblasen, punkte die AM-Strategie mittels der „Queen 1“-Anlagentechnik mit dem Entfall der Werkzeugkosten, niedrigem Investitionsrisiko und dem Entfall von Nachbearbeitungskosten. Weiterhin biete diese Strategie auch Vorteile gegenüber konkurrierenden AM-Strategien wie SLS- oder FDM-Druck, da diese zum Verkleben neigen würden. Dies bedeute oft Nachteile bei Funktionalität, Dichtigkeit und Maßhaltigkeit aufgrund von Toleranzungenauigkeiten. Zudem sei eine Einfärbung der Tanks in grau, anthrazit oder schwarz möglich.

Befestigungsbauteil für Carl Zeiss Fixtures

AM-Strategie bei Befestigungselementen (Fixtures)
Als weiteres Anwendungsgebiet für den 3D-Großdrucker „Queen 1“ werden Befestigungselemente genannt, sogenannte Fixtures. Kunden von Q.BIG 3D sind u.a. Carl Zeiss Fixtures und Benteler. Die Anforderungen der Anwender seien hohe Lagetoleranz der Referenzpunkte (<+/- 0,2 mm) durch Insert-Komponenten, wie Hebel, Stifte oder Halter, meist aus Metall, rasche Verfügbarkeit ohne Werkzeuge und preisliche Wettbewerbsfähigkeit. Konventionell werden bislang Aluminium-Profile eingesetzt, die sich negativ auf den CO2-Fußabdruck auswirken würden, aufwendig in der Montage seien und dies bei höheren Kosten. Das von Q.BIG 3D eingesetzte Material PLA hingegen gelte als besonders umweltfreundlich und bioabbaubar. Polylactid (PLA) ist ein auf nachwachsenden Rohstoffen wie Zuckerrohr oder Mais basierender Polyester. Der CO2-Fußabdruck der Anwendungsfälle hätte durch den Einsatz der Anlagentechnik von Q.BIG 3D um bis zu 97 Prozent reduziert werden können. Als weitere Vorteile werden Leichtbau, geringere Transportkosten, kein Nachbearbeitungsaufwand, leichteres Handling der Fixtures durch Produktionsmitarbeiter, deutliche Reduzierung des Konstruktionsaufwandes und vor allem die Maßhaltigkeit der Kontaktpunkte genannt. Auch hier ermögliche diese AM-Strategie kürzere Time-to-Market-Optionen bzw. die Verfügbarkeit der Fixtures.

Formnext 2023, Frankfurt a.M., 07.-10. November 2023, Halle 11.1, Stand C51

Weitere Informationen: qbig3d.de

Q.Big 3D GmbH, Aalen

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