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antriebstechnik 5/2019

antriebstechnik 5/2019

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED gesamten Druck kopfes erreicht, sondern auch durch die Entwicklung des leistungsgesteigerten Extruders. Dieser wird in einer aktuellen Forschungsarbeit bereits mit einer neuartigen Echtzeitregelung erprobt, die u. a. thermische Ausdehnung sowie Kompression bei der Schmelzedosierung berücksichtigt. Auf diese Weise wird die Materialausgabe der Dynamik des Druckkopfes beim Hochgeschwindigkeitsdrucken noch präziser angepasst. Auch das Potenzial des Schneckenextruders im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Maximierung des Materialdurchsatzes ist groß und Thema aktueller Untersuchungen, allerdings stellen die dynamischen Effekte bei der Dosierung der Schmelze eine Herausforderung dar. Da bereits mit einem Druckkopf Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik realisiert werden konnten, wird eine weitere deutliche Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit durch den parallelen Materialauftrag mit mehreren Druckköpfen erfolgen. So können nicht nur mehrere Objekte gleichzeitig weitgehend unabhängig voneinander gefertigt werden, es besteht zusätzlich die Möglichkeit, unterschiedliche Bereiche eines größeren Bauteils gleichzeitig zu drucken. Neben dem höheren Durchsatz bieten sich mit steigender Anzahl der Läufer noch weitere Potenziale: Der Einsatz unterschiedlicher Materialien ist ebenso möglich wie die Verwendung von verschiedenen Düsenkonfigurationen. Letztere können z. B. dazu verwendet werden, um ein Druckobjekt mit einer großen Düse schnell zu füllen und mit einer kleinen Düse eine detailreiche Oberfläche zu erzeugen. Um mehrere unabhängige Läufer des Planarmotors und damit mehrere Druckköpfe zukünftig simultan betreiben zu können, müssen noch weitere Voraussetzungen erfüllt werden. Zunächst muss der Stator eine hinreichende Fläche für den Einsatz mehrerer Läufer zur Verfügung stellen. Bei dem derzeit eingesetzten Stator mit der Größe 800 × 800 mm erscheint es nach dem gegenwärtigen Stand der Forschung sinnvoll, zwei Läufer zu verwenden. Der für die Bewegung verbleibende Freiraum auf dem Stator ist damit bereits begrenzt, aber noch sinnvoll nutzbar. Beide Läufer können eine gegen den Arbeitsbereich des jeweiligen anderen Läufers abgegrenzte Teilfläche des Stators bedienen, was sich als besonders effektiv im Hinblick auf das rotierende Druckbett erweist. Wesentlich anspruchsvoller stellt sich der unabhängige Betrieb mehrerer Druckköpfe mit sich überschneidenden Arbeitsbereichen dar. In beiden Fällen besteht die zentrale Herausforderung in der Entwicklung von Optimierungsalgorithmen, welche während oder nach der Bahngenerierung die Bewegungen auf zwei Druckköpfe verteilen. Kriterien wie die Vermeidung von zusätzlichen Nahtstellen, eine hohe Auslastung beider Druckköpfe und die Kollisionsproblematik sind dabei zu berücksichtigen. Nur so ist es möglich, die freie Statorfläche für beide Druckköpfe optimal nutzbar zu machen. Die hierfür erforderliche Software befindet sich bereits in der Entwicklung. Erste Simulationen zeigen, dass die angestrebte hohe Auslastung beider Druckköpfe gerade bei großen Bauteilen erreicht werden kann. Durch die damit realisierbare Überschneidung der Arbeitsbereiche kann die Druckzeit massiv verkürzt und damit die Effizienz des FLM-3D-Druckverfahrens erheblich gesteigert werden. Literaturverzeichnis: [Hag15] Hagl, Richard; Das 3D-Druck-Kompendium: Leitfaden für Unternehmer, Berater und Innovationstreiber, 2. Auflage, Wiesbaden. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2015 [Hor14] Horsch, Florian; 3D-Druck für alle: Der Do-it-yourself-Guide, 2. Auflage, München. Hanser, 2014 [Sta17] Stacker LLC; Stacker: Industrial Grade 3D Printers, 2017, http://stacker3d.com/. Abgerufen am 31.07.2017 [Ult17] Ultimaker B.V.; Produktseite Ultimaker 3, 2017, https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-3. Abgerufen am 31.07.2017 [Zam18] Žampach, Martin; Datenbank für 3D-Modelle Thingiverse, 2018, https://www.thingiverse.com/thing:481259. Abgerufen am 18.08.2018 [Ult18] Ultimaker B.V.; Slicer Software Cura Version 3.5.1, 2018, https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-cura-software. Abgerufen am 01.11.2018 DIE AUTOREN Prof. Dr.-Ing. Bernd Künne, Leiter des Fachgebiets Maschinenelemente, TU Dortmund M. Sc. Tim Krautwald, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets Maschinenelemente, TU Dortmund Fotos: 06: Martin Žampach, Cura 3.5.1 von Ultimaker B.V; sonst.: TU Dortmund DANKSAGUNG Die Autoren bedanken sich bei der AiF (Arbeitsgemeinschaft für industrielle Forschungsvereinigungen) für die Förderung des Projektes „Konstruktion und Entwicklung eines 3D-Druckers für großvolumige Bauteile“ (Förderkennzeichen KF2198141WO4). B. Sc. Sandra Vinkenflügel, Wissenschaftliche Mitarbeiterin des Fachgebiets Maschinenelemente, TU Dortmund 88 antriebstechnik 2019/05 www.antriebstechnik.de

FVA AKTUELL FORSCHUNGSVORHABEN FVA 746 I, IGF-NR. 18734 N FERTIGUNGSGERECHTE PRIMERPROZESSE Im Forschungsvorhaben „PRIME“ wurden Prozesse entwickelt und qualifiziert, um Metalldurchführungen mediendicht mit Kunststoff zu umspritzen. Zu diesem Zweck müssen die Leiterrahmen von Mechatronikgehäusen mit reaktiven, polymeren Haftvermittlern versehen werden. Im Vorhaben wurden dazu unterschiedliche Beschichtungsverfahren und -prozesse untersucht und entwickelt. Da nicht bekannt war, welche Materialien sich eignen, ist zuvor ein wirksamer Haftvermittler experimentell bestimmt worden. Parallel wurde die Wirkung verschiedener Stanzkantengeometrien untersucht. Die Maßnahmen zur Prozessgestaltung wurden dann abschließend u. a. durch Temperaturschocksequenzen zwischen – 40 und + 150 °C qualifiziert. Bei der geometrischen Modifikation der Stanzteile sind zwei Varianten detaillierter untersucht worden. Zum einen wurden die Kanten verrundet; zum anderen wurden die Kanten durch eine Mäanderstruktur gezielt unterbrochen. Weitere Untersuchungen hatten gezeigt, dass Leckagepfade besonders an den Stanzkanten auftreten. Bei den Haftvermittlern waren vor allem UV- und wärmehärtende Materialien wirksam. Diese lassen sich nach dem Auftrag sekundenschnell fixieren, durch entsprechende Additive bleiben die Materialen jedoch thermisch reaktiv. So kann die Wärme im Spritzgießprozess genutzt werden, um die Werkstoffe stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Besonders wirksam war dabei ein hochviskoses Acrylat mit einer Aktivierungstemperatur von 150 °C, genannt „UV Primer“, das mit einer Schicht dicke von > 100 µm aufgetragen wird. Der Auftrag erfolgte vorrangig über einen automatisierten, selektiven und inlinefähigen Dispensierprozess. Durch die gezielte Kantenverrundung konnte dabei eine vollständige Benetzung der Stanzkanten und -flächen und somit ein homogener Materialauftrag realisiert werden. Die genannte Maßnahmen-/Prozesskette, wie Leiterrahmengestaltung, homogener Auftrag, UV-Fixierung und Reaktivierung beim Spritzgießen, haben die Dichtheit entlang der Stanzteile, gemessen an der Leckrate, um mehr als zwei Größenordnungen verbessert. Die Dichtheit der Gehäuserahmen liegt nun bei ~ 5 × 10 -4 mbar*l/s. Bei den 2- und 3-poligen Durchführungen liegt die Leckrate sogar bei < 5 × 10 -5 mbar*l/s und somit eine Benzindichtheit vor. Infolge der Temperaturschockbelastung hat die Wirkung bei einigen Ver­ suchsträgern allerdings zwischen 500 und 1 000 Zyklen nachgelassen. In Kombination mit der Mäanderform wurde die Wirkung jedoch beibehalten, sodass auch nach 1 000 Zyklen noch eine Benzindichtheit vorlag. Die Prozesse lassen sich zeitnah und kosteneffizient in die bestehenden Fertigungsabläufe, z. B. im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, integrieren. Diese können entweder bei den Unternehmen im Bereich Kunststofftechnik oder als zusätzliche Lohndienstleistung im Bereich Stanztechnik etabliert werden. Im Vorhaben wurde die Anprägung zur Kantenverrundung bereit auf industrieller Ebene mit dem seriellen Stanzprozess vereint. Folgen müssen nun der serielle Auftrag sowie die serielle UV­ Fixierung. Hierfür sind die entsprechenden Anlagentechniken zu integrieren, für die ein breites Spektrum an Herstellern besteht. Im Weiteren sollte allerdings die Härtungskinetik des UV-Primers noch genau auf die Spritzgießparameter angepasst werden, z. B. über die Aktivierungstemperatur, um eine optimierte Langzeitbeständigkeit zu ermöglichen. Förderung: AiF (IGF) Autor: Fabian Eltermann, Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt Tel.: 069 / 6603-1515 E-Mail: info@fva-net.de Internet: www.fva-net.de Kontakt: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. (FVA), Alexander Raßmann, Tel.: 069/6603-1820 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/05 89