JENI von Photocentric: eine immer ernsthaftere Konkurrenz für den Spritzguss in industriellen Stückzahlen

JENI sieht nicht wie ein klassischer 3D-Drucker aus. Die Anlage erinnert eher an einen Server-Tower, der von innen dunkelrot leuchtet; ihre modularen Segmente sind übereinandergestapelt und in Racks angeordnet. Mit jedem zusätzlichen Modul wächst das System. Wird ein Knoten neu konfiguriert, übernimmt er einen anderen Prozess. Eine einzelne Anlage kann täglich Hunderttausende Bauteile fertigen, in einigen Fällen sogar mehr als eine Million.

Photocentric hat JENI als autonome Produktionsplattform auf den Markt gebracht. Sie kombiniert hochauflösenden LCD-3D-Druck mit robotergestützter Nachbearbeitung und soll Kunststoffbauteile in Stückzahlen und zu Kosten fertigen, die nach Angaben des britischen Unternehmens direkt mit dem Spritzguss konkurrieren können.

Mit JENI 3D-gedruckte Abstandshalter in Stückzahlen von Hunderttausenden.

Zeit für den 3D-Druck in der Massenproduktion

Die additive Fertigung gilt als besonders geeignet für Prototypen sowie komplexe oder kundenspezifische Bauteile – nicht jedoch für die millionenfach produzierten Clips, Kappen, Steckverbinder und Kabeldurchführungen, die in zahllosen Alltagsprodukten verbaut sind. Photocentric hält diese Einschätzung inzwischen für überholt. Dass die additive Fertigung bei hohen Stückzahlen bislang nicht mit dem Spritzguss konkurrieren konnte, lag dem Unternehmen zufolge nicht am Druckprozess selbst, sondern am Personalaufwand, der Bauteilhandhabung, den Schwankungen zwischen Chargen und den Materialkosten. JENI ist deshalb für einen kontinuierlichen, unbeaufsichtigten Betrieb ausgelegt, wobei jeder Auftrag seine eigenen Prozessparameter mitführt.

Aufgrund des hohen Automatisierungsgrads fallen im Prozess kaum Arbeitskosten an. Ein einzelnes Modul kann beispielsweise täglich 238.000 Abstandshalter zu Stückkosten von unter 0,02 US-Dollar produzieren. Damit wird das Material zum größten Kostenfaktor. Anwender können entweder die von Photocentric selbst formulierten Harze oder bevorzugte andere 405-nm-Materialien verarbeiten.

So funktioniert JENI

Photocentric beschreibt JENI knapp als „Spritzguss ohne Werkzeugbau“. Die Plattform automatisiert die Produktion mithilfe von LCD-3D-Druckern mit hoher Auflösung und Nachbearbeitungsknoten, die über Hochgeschwindigkeitsroboter verbunden sind. Kunden können mit einer einzelnen Robotersteuerung und einem Prozessmodul beginnen und bei steigenden Produktionsmengen weitere Module hinzufügen.

Eine an JENI übermittelte digitale Datei enthält neben den Druckanweisungen auch die vollständige Abfolge der Nachbearbeitungsschritte, darunter Wasch- und Aushärtezeiten. JENI überwacht alle Knoten und weist den Auftrag dem nächsten freien Knoten zu, der die jeweiligen Anforderungen erfüllt. Anschließend nimmt ein Portalsystem die passende Bauplattform auf und bringt sie in Position. Da jeder Auftrag individuell behandelt wird, lassen sich innerhalb derselben Charge unterschiedliche Geometrien und Nachbearbeitungsabläufe durchführen. Zudem kann maschinelles Lernen eingesetzt werden, um einen Auftrag hinsichtlich Kosten, Geschwindigkeit, CO2-Fußabdruck oder Qualität zu optimieren.

Geeignet für „langweilige Bauteile“

Bestandskunden von Photocentric fertigen bereits Produkte, die sich gut für den Harz-3D-Druck eignen, darunter Dentalmodelle, Schuhe, Schmuck und Miniaturen. JENI soll nun auch bei Produkten wirtschaftlich sein, die die Ingenieure des Unternehmens als „langweilige Bauteile“ bezeichnen. Das Photocentric-Team druckt intern bereits verschiedene Kleinteile, darunter Gehäuse, Halterungen, Winkel, Steckverbinder, Verteiler, Clips, Griffe und Knöpfe. Die interne Fertigung dieser Komponenten ist unkompliziert, kostengünstig und schnell. Gängige Kabeldurchführungen lassen sich beispielsweise für 0,07 US-Dollar pro Stück im eigenen Haus produzieren, während der externe Zukauf 0,34 US-Dollar je Bauteil kostet.

Als erste Anwender von JENI erwartet das Unternehmen sowohl Innovationsverantwortliche in großen, derzeit vom Spritzguss abhängigen Unternehmen als auch Bestandskunden aus dem 3D-Druck. Da JENI als offene Materialplattform konzipiert ist, kann jeder Knoten einer Anlage ein anderes Harz verarbeiten. Ein Dentallabor könnte somit gleichzeitig auf sechs Knoten kieferorthopädische Modelle, auf zwei Knoten Schienen und auf den übrigen Knoten Kronen, Brücken und Prothesen fertigen.

Covid-19 als entscheidender Impuls

Die Entstehung von JENI geht auf einen konkreten Zeitpunkt während der Covid-19-Pandemie zurück. Damals betrieb Photocentric eine Druckerfarm mit 52 LC Magna-Druckern, die zeitweise mehr als eine Million Gesichtsschutzschilde pro Monat produzierte. Dabei traten jene betrieblichen Schwachstellen zutage, aus denen später die Entwicklungsanforderungen für JENI hervorgingen.

„In den vergangenen sechs Jahren bestand die Mission von Photocentric – und meine persönliche – darin, die digitale Massenfertigung als allgegenwärtige Alternative zum Spritzguss zu ermöglichen“, sagte Paul Holt, Managing Director von Photocentric. „Wir nannten dieses Projekt JENI, nach der ersten Maschine der ersten industriellen Revolution, der Spinning Jenny. JENI setzt das Konzept ‚digitale Datei hinein, digital gefertigtes Bauteil heraus‘ in die Realität um. Inzwischen haben wir dies im Einsatz nachgewiesen und mehrere zehn Millionen Stück eines Bauteils gedruckt, das im 3D-Druck herzustellen wohl niemand für möglich gehalten hätte.

Spezifikationen und Bauteilqualität

JENI arbeitet mit einem Pixelabstand von 24,8 µm × 16,8 µm. Nach Angaben von Photocentric erreichen feine Strukturen, Beschriftungen und die Oberflächengüte mit dieser Auflösung ein Niveau, das die meisten Verfahren der additiven Fertigung für Produktionsanwendungen ohne zusätzliche Nachbearbeitung nicht erzielen können und das mit dem Spritzguss vergleichbar ist.

JENI eignet sich für die Massenproduktion von Bauteilen wie den oben abgebildeten Kabeldurchführungen.

Die Schichtdicke lässt sich für jeden Auftrag anpassen. Neben den üblichen 25, 50 oder 100 µm stehen bis zu 250 µm zur Verfügung, abhängig vom erforderlichen Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Qualität. Da jeder Auftrag seine eigenen Parameter enthält, können zwei Bauteile, die gleichzeitig im selben System gefertigt werden, mit unterschiedlichen Schichtdicken gedruckt werden. Der Bauraum wird derzeit durch den 10-Zoll-Bildschirm von JENI bestimmt und beträgt 224 × 127 × 57 mm. Photocentric konzentriert sich auf diese Größe, weil Bauteile, die millionenfach produziert werden, in der Regel klein sind.

Bei der Bauteilkomplexität bestehen dagegen praktisch keine Einschränkungen. Konstrukteure müssen weder Entformungsschrägen noch Trennebenen oder Auswerfermarkierungen berücksichtigen; auch Hinterschnitte und interne Geometrien verursachen keine zusätzlichen Kosten. Ein komplexes Bauteil kostet in der Fertigung daher nicht mehr als ein einfaches Bauteil mit demselben Volumen. Gleiches gilt für Oberflächenstrukturen: Feine Körnungen, Muster und dekorative Oberflächen lassen sich mit JENI ohne Mehrkosten integrieren. Beim Spritzguss müssen sie dagegen mit erheblichem Aufwand in das Werkzeug eingebracht werden und bleiben anschließend über dessen gesamte Lebensdauer unveränderlich.

Was bedeutet ein vollständig automatisierter Betrieb?

JENI ist für eine unbeaufsichtigte Produktion mit minimaler täglicher Überwachung ausgelegt. Die meisten Kunden schließen das System an Intermediate Bulk Container (IBC) mit jeweils 1 Tonne Harz an; die Behälter werden alle paar Tage gewechselt. Hinzu kommen gelegentliche Wartungsarbeiten an den Knoten. Da JENI fertige Bauteile ausgibt, ergänzen die meisten Anwender lediglich einen kurzen nachgelagerten Schritt wie Sortieren, Verpacken oder eine weitere Montage. Dafür genügt standardisierte Automatisierungstechnik, deren Kapazität auf die Ausbringung von JENI abgestimmt ist. Da etwa alle 20 Sekunden eine Plattform mit Bauteilen bereitsteht, kann eine unbeaufsichtigte Nachtschicht genug produzieren, um ein kleines Lager zu füllen – wenn die nachgelagerte Linie nicht mithält.

Nachhaltigkeit: 85 % weniger CO2-Emissionen

Photocentric stützt seine Nachhaltigkeitsaussagen zu JENI auf drei Faktoren: die Rohstoffbasis des Materials, die Prozesseffizienz und den Umgang mit einem Bauteil am Ende seiner Lebensdauer.

Materialien aus biogenen Reststoffen

Photocentric formuliert seine Photopolymere selbst. Ein wachsender Anteil der verwendeten Monomere und Oligomere kann statt aus Petrochemikalien aus geringwertigen biogenen Reststoffen, Lebensmittelabfällen und landwirtschaftlichen Rückständen synthetisiert werden. Als aktuelles Beispiel nennt das Unternehmen Durable DL902 Plant-Based, ein ABS-ähnliches technisches Harz mit 52 % biobasierten Rohstoffen. Nach der Aushärtung erreicht es eine Zugfestigkeit von 46 MPa und eine Bruchdehnung von 37 %. Photocentric stellt diese mechanischen Eigenschaften der Sprödigkeit gegenüber, die noch immer häufig mit Photopolymeren aus SLA-Prototyping-Harzen früher Generationen verbunden wird.

Bauteile aus DL902.

Prozesseffizienz: Untersuchung durch das MTC

Das britische Manufacturing Technology Centre erstellte Cradle-to-Gate-Modelle für den CO2-Ausstoß und die gebundene Energie pro Bauteil, um den Spritzguss mit dem LCD-basierten additiven Verfahren von Photocentric zu vergleichen. Als Referenz diente ein von Essentra gelieferter, in Großserie gefertigter PCB-Abstandshalter. Die Ergebnisse von Kirkwood et al. wurden unter dem Titel „Integrating models for calculating component sustainability metrics“ veröffentlicht. Der spritzgegossene Abstandshalter verursachte 8,809 g CO2e pro Bauteil, gegenüber 1,322 g CO2e bei JENI. Das entspricht einer Reduzierung um 85 %, die vorwiegend auf Materialverluste durch Anguss, Verteilerkanäle, Anfahrausschuss und Spülvorgänge zurückzuführen ist. Photocentric betrachtet diesen Wert als konservativ, da die Bearbeitung des Werkzeugs und Ausschuss durch spekulativ vorproduzierte Bauteile nicht berücksichtigt wurden. Zudem weist das Unternehmen darauf hin, dass seine eigenen Werte je Auftrag gemessen und nicht geschätzt werden.

Ende der Lebensdauer

Ein ausgehärtetes Photopolymer ist ein chemisch vernetzter Duroplast. Es kann daher nicht wie ein Thermoplast aufgeschmolzen und neu geformt werden; ein herkömmliches mechanisches Recycling ist nicht möglich. Photocentric verfolgt drei Ansätze: Erstens soll Ausschuss bereits an der Quelle minimiert werden, indem Bauplattformen dicht belegt und nicht ausgehärtetes Harz in die Wanne zurückgeführt werden. Zweitens eignet sich das Material zur energetischen Verwertung, da Photopolymere einen hohen Heizwert aufweisen und in Müllverbrennungsanlagen mit Energierückgewinnung sauber verbrannt werden können. Drittens arbeitet das Unternehmen daran, die Recyclingfähigkeit von Beginn an in das Material zu integrieren. Dazu werden chemische Formulierungen mit spaltbaren Bindungen entwickelt, über die sich ein ausgehärtetes Netzwerk wieder in wiederverwendbare Oligomere zerlegen ließe.

Die wirtschaftliche Rechnung

Wenn Kunden für JENI die vollständigen Produktionskosten (Material, Arbeit, Energie, Werkzeugbau, Ausschuss, Lagerung, Obsoleszenz) und die Kosten durch Fehlbestände modellieren, fällt der Vergleich wiederholt zugunsten des 3D-Drucks aus, und zwar mit größerem Abstand, als das Unternehmen erwartet hatte. Als deutlichsten Beleg führt Photocentric die Art der inzwischen mit JENI gefertigten Bauteile an: sehr preisgünstige Komponenten, bei denen Bruchteile eines Pennys darüber entscheiden, ob ein Fertigungsverfahren wirtschaftlich ist.

Mit mehreren JENI-Modulen können Anwender täglich Millionen Bauteile drucken.

Verfügbarkeit von JENI

JENI kann ab sofort bestellt werden. Photocentric nennt eine Lieferzeit von rund drei Monaten bis zum Factory-Acceptance-Test (FAT). Der Gesamtzeitplan hängt jedoch davon ab, wie schnell der jeweilige Kunde Bauteile testen und sich zu Materialien festlegen kann. Diese Validierungsarbeiten finden bereits vor der eigentlichen Bestellung statt. Anschließend erfolgt vor Ort beim Kunden der Site-Acceptance-Test (SAT). Dabei wird das System mit den kundeneigenen Bauteilen betrieben, das Team des Kunden geschult und die Anlage in eine laufende Servicevereinbarung überführt.

„Im nächsten Schritt werden wir weitere Prozessknoten ergänzen, um die Anwendbarkeit auf unterschiedliche Geometrien auszuweiten. Anschließend wollen wir zeigen, wie dieses grundlegend andere Produkt Fertigungsentscheidungen verändert: weg vom konventionellen Ablauf mit Prototyp und anschließendem Werkzeugbau, hin zur Einbeziehung der digitalen Fertigung bis in Stückzahlen von Hunderten Millionen oder zur schnellen Replikation“, ergänzte Holt.

Der additiven Fertigung wird seit dreißig Jahren entgegengehalten, sie werde niemals jene Bauteile herstellen, auf denen die Welt tatsächlich beruht. Mit JENI setzt Photocentric darauf, dass sich genau diese Komponenten inzwischen digital, ohne Werkzeugbau, in hohen Stückzahlen, zu wettbewerbsfähigen Preisen und mit einem Bruchteil des CO2-Fußabdrucks produzieren lassen. Weitere Informationen zu JENI finden sich hier auf der Website von Photocentric.

Was halten Sie von JENI? Lassen Sie uns dazu einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook oder LinkedIN mit. Möchten Sie außerdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der Additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt für unseren wöchentlichen Newsletter.