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Treibende Kraft für die additive Fertigung

Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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PiezoaktorenTreibende Kraft für die additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren haben die Prototypen-Nische verlassen und sind dabei, ihren Platz in der industriellen Produktion zu finden. Während bei der Kunststoffverarbeitung Spritzgießen das Verfahren der Wahl ist, wenn es um große Stückzahlen und hohe Qualitätsansprüche geht, ist die additive Fertigung prädestiniert für die effiziente Fertigung von Einzelteilen und Kleinserien. Davon profitieren mittlerweile alle Branchen, angefangen vom Automotive- und Consumer-Bereich bis hin zur Medizintechnik. Schließlich lassen sich Funktionsbauteile Schicht für Schicht aus feinsten Kunststofftropfen aufbauen. Bei der Tröpfchenbildung spielen Piezoaktoren als treibende Kraft eine wichtige Rolle.

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Piezoaktoren: Treibende Kraft für die additive Fertigung

In der Kunststoffverarbeitung nimmt die Vielfalt an Materialien und Anwendungen kontinuierlich zu. Diesen Trend hat der Maschinenbauspezialist Arburg früh erkannt und neben dem klassischen Spritzgießen für diesen wachsenden Markt ein weiteres industrielles Verfahren entwickelt: das Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF) mit dem sogenannten Freeformer, das eine große Designfreiheit und Materialvielfalt ermöglicht und mit dem sich Teilegeometrien realisieren lassen, die spritztechnisch nicht formbar wären.

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Der Freeformer fertigt additiv aus qualifizierten Standardgranulaten funktionsfähige Bauteile einzeln oder in Kleinserie. Standardmäßig ist er mit zwei Austragseinheiten ausgestattet. Damit lassen sich verschiedene Materialien kombinieren, wie beispielsweise Hart-Weich-Verbindungen, oder komplexe Geometrien realisieren. Als zweite Komponente kann auch eine wasserlösliche Stützstruktur verwendet werden. Die Stützstrukturen werden anschließend in einem Wasserbad entfernt. Die kompakte Maschine arbeitet staub- und emissionsfrei. Auf Absauganlagen oder Kühlwasser kann verzichtet werden. Das System ist daher auch für den Einsatz in einer Büroumgebung geeignet. Der Bauraum bietet Platz für Teile, die max. 154 x 134 x 230 Millimeter groß sind.

Vom Granulat zum Funktionsbauteil

Die prinzipielle Funktionsweise des Freeformers ist einfach zu verstehen. „Zunächst werden die 3D-CAD-Daten des Bauteils mithilfe einer speziellen Software maschinengerecht aufbereitet. Aus den daraus gewonnenen schichtweisen Geometrien werden dann funktionsfähige Bauteile werkzeuglos und ohne Nachbearbeitung aufgebaut“, erläutert Martin Neff, Gruppenleiter Vertrieb und Technologie Kunststoff-Freiformen bei Arburg. „Dazu wird zunächst das Granulat in die Maschine eingefüllt, ein beheizter Plastifizierzylinder mit spezieller Schnecke erzeugt daraus eine homogene Schmelze für die Austragseinheit. Deren patentierter Düsenverschluss mit hochfrequenter Piezotechnik ermöglicht schnelle Öffnungs- und Schließbewegungen und erzeugt so unter einem Massedruck bis zu 500 bar rund 200 Kunststofftropfen pro Sekunde.“

Abhängig von der Düsengröße haben die kleinen Tropfen einen Durchmesser von 0,2 bis 0,4 mm. Während der Piezoaktor den Düsenverschluss taktet, bleibt die Austragseinheit mit der Düse in ihrer vertikalen Position. Der bewegliche Bauteilträger wird über Servomotoren so positioniert, dass jeder Tropfen Schicht für Schicht exakt auf der vorher berechneten Stelle platziert wird. Für das Aushärten des Kunststoffs sind keine speziellen Prozesse oder Materialzusätze erforderlich; die winzigen, ineinander verlaufenden Tropfen verbinden sich beim Auskühlen von selbst. Die dabei entstehende Oberfläche entspricht der eines grob strukturierten Spritzteils. Sie ist zwar tropfenförmig strukturiert, dies aber besonders gleichmäßig und in jeder Richtung. Verlässt ein auf diese Weise additiv gefertigte Bauteil die Maschine, ist es sofort einsatzbereit.

Piezoaktor taktet den Düsenverschluss

Zentrale Prozess der additiven Fertigung

Der zentrale Prozess der additiven Fertigung ist die Tropfenerzeugung an der Düse der Austragseinheit. „Bei der Taktung des Düsenverschlusses für die Tropfenerzeugung haben wir uns für einen Piezoaktor entscheiden, weil wir hier die notwendig hohe Dynamik und Genauigkeit für den Materialaustrag haben“, ergänzt Neff. Das begründet sich in der Funktionsweise: Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um und ermöglichen Bewegungen mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich. Sie erreichen Stellwege bis etwa einen Millimeter und hohe Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Tausend Hertz. Die Austrageinheit am Freeformer arbeitet derzeit mit Frequenzen zwischen 60 und 200 Hz. „Bei der Geschwindigkeit haben wir also noch Luft nach oben“, freut sich Neff.

Der für die Taktung des Düsenverschlusses beim AKF-Verfahren eingesetzte PICMA-Piezoaktor von Physik Instrumente hat außer Genauigkeit und Dynamik noch weitere Eigenschaften, die ihn für den industriellen Einsatz in der additiven Fertigung geradezu prädestinieren. Der kundenspezifisch ausgelegte Aktor deckt Stellwege bis 90 µm mit Sub-Nanometer-Auflösung ab, ist druckbelastbar bis 3.000 N und mit einer Ansprechzeit im Mikrosekundenbereich ausgesprochen reaktionsschnell. Keine andere Ventiltechnologie bietet eine solch schnelle Reaktionszeit bei vergleichbarer Baugröße. Außerdem sind PICMA-Aktoren konventionellen, polymerumhüllten Piezoaktoren in Leistung und Lebensdauer weit überlegen, denn sie sind vollkeramisch isoliert. Ihr monolithischer Piezokeramikblock ist durch die keramische Isolierschicht vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom geschützt und erreicht so auch unter extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Bewegungszyklenzahl.

Der monolithische Aufbau bedingt außerdem eine hohe Resonanzfrequenz, weshalb sich die Aktoren ideal für hochdynamische Anwendungen eignen. Dass die eigentlich nicht flexible Keramik dabei mitspielt, liegt daran, dass die Bewegung auf Festkörpereffekten beruht. Die Dynamik der Umpolungsprozesse wird durch die elektrische Kontaktierung und die Auslegung der Ansteuerelektronik bestimmt. Für die Taktung des Düsenverschlusses beim Freeformer wird der Piezoaktor von einer eigenentwickelten Elektronik angesteuert, die im Schaltschrank der Maschine integriert ist. cs

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