Wenn es darum geht, identische Teile in Serie zu produzieren, gibt es keine bessere Technik als den Spritzguss. Prototypen oder Kleinserien hingegen lassen sich am schnellsten mit einem 3D-Drucker fertigen.

Die neue additive Technologie von Evolve wurde speziell für die Serienfertigung entwickelt. (Bild: B&R Industrie-Elektronik GmbH)

Zwischen Massenproduktion und Prototypenbau liegt eine Welt voller Potenziale. Weder das Spritzgießen noch bestehende 3D-Drucktechnologien decken diese Marktlücke ab, ohne dabei die Kosten zu sprengen. „Spritzgußformen für kleine Losgrößen herzustellen ist unrentabel“, sagt Steve Chillscyzn, CEO von Evolve Additive Solutions. „Herkömmliche 3D-Drucker sind wiederum zu langsam, um eine wirtschaftliche Serienproduktion zu ermöglichen.“

Evolve hat sich 2017 vorgenommen, diese Lücke zu schließen. In Jahren intensiver Arbeit hat das Start-up-Unternehmen aus Minnesota eine neue Technologie für additive Fertigung entwickelt, die schnell genug für die Serienproduktion ist. Um die neue Technologie in kommerziellem Maßstab auf den Markt zu bringen, suchte Evolve nach einem zuverlässigen Automatisierungspartner. Diesen fand das Unternehmen in Hartfiel Automation, einem Entwicklungs- und Vertriebspartner von B&R mit Sitz in Minneapolis.

Evolve vermarktet seine Lösung unter dem Namen SVP (scalable volume production). Als Herzstück dieser SVP-Plattform hat Evolve eine revolutionäre additive Fertigungstechnologie entwickelt: Selective Thermoplastic Electrophotographic Process – kurz STEP. Das STEP-Verfahren ist einfach: Der Drucker fertigt zweidimensionale Schichten, die gestapelt und zu einem voll funktionsfähigen Werkstück verschmolzen werden.

Bewährte Technik, unübertroffene Produktivität

Der STEP-Prozess beginnt mit einer bekannten 2D-Drucktechnik, der elektrofotografischen Abscheidung. Als Ausgangsmaterial werden bekannte technische Thermoplasten wie ABS und Nylon verwendet. Diese werden durch ein von Evolve entwickeltes Verfahren zu feinen Partikeln mikronisiert. Dabei handelt es sich um einen bewährten Prozess mit bewährten Materialien, der auf eine Weise kombiniert wird, die es so noch nie gegeben hat. So erhält die SVP-Plattform die nötige Geschwindigkeit, um die Flexibilität additiver Fertigung in die Produktionshalle zu bringen und die Durchlaufzeiten zu verkürzen.

Um voll funktionsfähige Werkstücke zu fertigen, muss die Plattform jedoch nicht nur Quantität, sondern auch Qualität liefern. „Unsere Kunden erwarten sich von den fertigen Werkstücken hochwertige Ergebnisse. Dafür benötigten wir eine Steuerungslösung, mit der sich die Schichten exakt ausrichten und stapeln lassen. Nur so können sie perfekt miteinander verschmolzen werden“, erklärt John Lees, Vice President Engineering bei Evolve. „Hartfiel und B&R haben uns geholfen, äußerst genaue Ergebnisse ohne nennenswerte Abweichungen zu erreichen.“

Wenn die Schichten ausgerichtet und miteinander verschmolzen werden, kommen insgesamt sechs Servoachsen zum Einsatz: zwei zur Steuerung der Geschwindigkeit und Spannung des Transferbands und jeweils zwei für die horizontale und vertikale Bewegung der Bauplatten. „Je exakter die Schichten positioniert sind, desto besser ist das Ergebnis des Stapelprozesses“, sagt Scott Albrecht, Vice President Advanced Control Technologies bei Hartfiel. „Der B&R-Servoverstärker ACOPOS P3 lässt sich mikrosekundengenau triggern und verfügt über eine Welligkeitskompensation. Das hat uns sehr geholfen, die gewünschte Genauigkeit zu erreichen.“

Genau wie beim Spritzgießen müssen auch im 3D-Druck die Temperatur- und Druckzyklen präzise gesteuert werden. So wird eine gleichbleibend hohe Qualität gewährleistet. „Um die komplexen Bewegungs- und Temperatursteuerungsaufgaben zu koordinieren, kommt ein Automation PC 3100 von B&R zum Einsatz. Dieser bietet eine hohe Rechenleistung, benötigt aber nur wenig Schaltschrankfläche“, sagt Albrecht.

Bei jeder gedruckten Schicht prüft ein Scanner die Oberfläche auf Unregelmäßigkeiten. Sollte es Abweichungen geben, werden diese ausgeglichen, indem an der betreffenden Stelle der nächsten Schicht mehr oder weniger Material aufgebracht wird. Das Ergebnis ist ein vollständig homogenes Werkstück mit konsistenten Eigenschaften auf allen Ebenen. „Wir erreichen eine durchschnittliche Oberflächenrauheit von nur fünf Mikrometern“, sagt Lees. „Um so eine glatte Oberfläche zu erreichen, muss normalerweise mit Sandstrahltechnik nachbearbeitet werden. Die präzise Steuerung, die wir zusammen mit Hartfiel und B&R entwickelt haben, ermöglicht solch glatte Oberflächen jedoch ganz ohne Nachbearbeitung.“

„Von der technischen Expertise bis hin zum Verständnis für unsere Vision und die Weiterentwicklung der additiven Fertigung – das Engagement der Experten von Hartfiel und B&R hat uns überzeugt.“

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