Wie erhält man qualitativ hochwertige, serienmäßig hergestellte ABS-Teile mit additiver Fertigung?

Einem Bericht von MarketsandMarkets zufolge wächst der 3D-Druckmarkt für Polymere mit einem berechneten Wert von 1,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 und geschätzten 4,4 Milliarden US-Dollar bis 2028. Zu den am häufigsten verwendeten Thermoplasten in der Fertigungsindustrie gehört ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), das für seine Schlagfestigkeit, seine niedrigen Temperaturen und sein geringes Gewicht bekannt ist. Dank dieser Eigenschaften wird es in zahlreichen Anwendungen eingesetzt: Prototypen, Haushaltsgeräteteile, Autoinnenräume, Getriebe, Ventile, Werkzeuge usw.

Die am weitesten verbreitete Produktionsmethode für ABS-Teile in großen Serien ist das Spritzgießen, aber auch die additive Fertigung wird für Prototypen und Kleinserien eingesetzt. Eine Einschränkung in diesem Bereich ist das Segment der Anwender, die ihre Produktion ausweiten und daher schnell vom Prototyping zur Serienproduktion übergehen müssen. Die STEP-Technologie (Selective Thermoplastic Electrophotographic Process) von Evolve Additive Solutions passt in dieses Marktsegment und bietet sich als praktikable Alternative zum Spritzgießen für die Herstellung hochwertiger ABS-Teile in Großserie an. Aber wie? Lassen Sie uns in diesem Artikel näher auf dieses Thema eingehen.

Satz 3D-gedruckter ABS-Klammern mit STEP-Technologie.

Wie funktioniert die STEP-Technologie?

Die STEP-Technologie von Evolve gehört zur Familie der additiven Technologien, entspricht aber nicht genau den Verfahren, die in der internationalen Norm ISO/ASTM 52900:2021 beschrieben sind, die die Verfahren der additiven Fertigung beschreibt.

Bei der STEP-Technologie werden die Teile zwar Schicht für Schicht hergestellt, aber der Kern der Technologie basiert auf dem digitalen Hochgeschwindigkeitsdruck in 2D. Sie gliedert sich in drei Schritte: Der erste ist die Bildreproduktion oder imaging, bei der die Partikel des Teils und der Trägermaterialien selektiv auf einer sich bewegenden Bahn mit Hilfe der Elektrofotografie aufgebracht werden; der zweite ist die Ausrichtung, bei der die Bilder erhitzt und auf das Druckbett übertragen werden; und schließlich erfolgt die Verschmelzung, bei der die Partikel unter Einwirkung von Hitze und Druck in die Druckschicht eingeschmolzen und anschließend unter die Glasübergangstemperatur abgekühlt werden. Die kompletten Schichten mit Bauteil und Trägermaterial werden nacheinander aufgetragen, sodass das 3D-Teil entsteht.

„Wir haben einen Weg gefunden, technische Thermoplaste so zu mikronisieren, dass sie sich wie Toner in einem 2D-Drucker verhalten“, erklärt John Lees, Vice President of Engineering bei Evolve.

Das Interessante an STEP und was diese Technologie laut Evolve von anderen additiven Verfahren unterscheidet, ist, dass sie die Herstellung von Teilen mit hoher Dichte ermöglicht. Das liegt daran, dass die Walze das Bild durch Druck auf die Druckschicht presst, was in Verbindung mit Wärme für eine optimale Haftung sorgt. Die von Evolve vermarktete Maschine, die SVP™ (Scaled Volume Production), scannt außerdem die Schicht bei jedem Durchgang, um eventuelle Höhenunterschiede zu erkennen, und gleicht diese durch Anpassung der Ablagerung in den nachfolgenden Schichten aus. Nach Angaben von Evolve ermöglicht STEP im Vergleich zu anderen additiven Verfahren die Herstellung von Bauteilen mit höherer Genauigkeit und besseren mechanischen Eigenschaften, die in größerem Maßstab hergestellt werden können.

Eine SVP-Maschineneinheit umfasst 92 Bracketsätze mit insgesamt 736 Brackets, die in 6,5 Stunden gedruckt wurden.

Herstellung von ABS-Teilen: Vergleich zwischen STEP, anderen additiven Technologien und Spritzgießen

Nachdem wir einen Überblick über die Technologie gegeben haben, wollen wir uns nun der Frage zuwenden, warum sich diese Technologie von anderen AM-Verfahren unterscheidet und eine echte Alternative zum Spritzgießen sein könnte, wenn es um die Herstellung hochwertiger und skalierbarer ABS-Teile geht. Zunächst zu den Materialien: STEP verwendet zwei Arten von ABS, ein schwarzes und ein hellgraues. Das Verfahren funktioniert auch mit Nylon PA11, das eine größere Dehnung und einen höheren Erweichungspunkt aufweist.

Was die Druckgeschwindigkeit angeht, so ist die Technologie schneller als beispielsweise die additiven Technologien der Pulverbettfusion. Dies liegt daran, dass bei diesen Technologien das gesamte Bauvolumen für jeden Druck verwendet werden muss und somit längere Zeiten für den Wechsel von einer Produktion zur nächsten erforderlich sind, was bei STEP nicht der Fall ist. Vielmehr kann der Prozess angehalten werden, sobald das Teil fertig ist, und nach der Entnahme kann sofort mit einem neuen begonnen werden.

Was die Detailtreue der Teile angeht, so beträgt die Schichtdicke bei STEP 13 Mikrometer, wobei 22 μm große Partikel die Herstellung starker, hochauflösender Teile ermöglichen; die Oberflächenrauhigkeit beträgt 3-6 μm. Das Kodak NexPress Drucksystem, das bei dieser Technologie zum Einsatz kommt, hat eine Auflösung von 600 Punkten pro Zoll (DPI), was einer Pixelgröße von 40 Mikrometern entspricht. Da es sich um ein elektrofotografisches Verfahren handelt, stößt es nicht auf die gleichen thermischen Herausforderungen wie andere 3D-Druckverfahren, wie z. B. die Begrenzung der Leistungsdichte. Aus diesem Grund will Evolve mit STEP die „historischen“ Grenzen der additiven Fertigung und insbesondere das Verhältnis zwischen Druckgeschwindigkeit und Auflösung überwinden.

Ein dichtes ABS-Teil kann die Anforderungen an die Handhabung von Luft oder Flüssigkeiten erfüllen.

Im Vergleich zum Spritzgießen kann STEP nicht die gleichen hohen Stückzahlen produzieren, bietet aber die gleichen mechanischen Eigenschaften und die gleiche Qualität für ABS-Teile. Dies ist, wie erwartet, ein Argument für dieses additive Fertigungsverfahren, das eine gute Lösung für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sein könnte, die ihre Produktion ausweiten wollen.

Angesichts der relativen Geschwindigkeit von STEP kann die Technologie eine Brücke zwischen Prototyping und Serienproduktion schlagen. Darüber hinaus kann sie in Bezug auf die Kosten eine erste Lösung für KMU sein, die sich Investitionen in die Spritzgusstechnologie nicht leisten können.

3D-Druck von ABS-Endteilen in Serie

Wie bereits erwähnt, werden ABS-Bauteile in zahlreichen Bereichen und Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören Bewässerungssysteme und elektrische Bauteile. Beide profitieren nicht nur von den Eigenschaften des Materials, sondern haben auch gemeinsam, dass sie kleine, detaillierte Teile in nicht allzu großen Serien herstellen müssen. Aus diesem Grund erweist sich das Spritzgießen oft nicht als die klügste Wahl, auch wenn man die zusätzlichen Kosten für die Formen bedenkt.

Die STEP-Technologie ermöglicht in diesem Fall zum Beispiel die Herstellung von Sprinklerventilen, Rückschlagventilen und Druckprüfverteilern für Bewässerungssysteme. In diesen Fällen ist ABS ideal, da es chemisch resistent gegen wässrige Säuren, Laugen und konzentrierte Salz- und Phosphorsäuren ist. Darüber hinaus konnte die Technologie die für diese Teile erforderlichen wesentlichen Eigenschaften, nämlich Dichte, Hohlraumfreiheit und Porosität, gewährleisten.

Kugelventile, die nach dem STEP-Verfahren hergestellt werden.

Ein weiterer Anwendungsfall der STEP-Technologie für die Herstellung von ABS-Endteilen ist die Produktion von Gehäusen für elektrische Verbindungen. Der Einsatz der STEP-Technologie war in diesem Fall sinnvoll, da sie Präzision und Geschwindigkeit miteinander verbindet und es dem Endanwender ermöglicht, 195 Teile in knapp zwei Stunden herzustellen. Bei einem Standard-Dreischichtbetrieb entspricht dies einem Ausstoß von über 300.000 Teilen pro Jahr.

Der Einsatz der STEP-Technologie für diese Anwendungen sowohl im Prototyping als auch in der Produktion hat es den Anwendern ermöglicht, die Risiken zu verringern, die mit dem Einsatz mehrerer Produktionsverfahren verbunden sind. Um die STEP-Technologie selbst zu entdecken, fordern Sie HIER ein kostenloses Muster an.

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*Bildnachweise: Evolve Additive Solutions