Flexible Fertigungsverfahren zur Herstellung individualisierter Produkte werden langfristig die modernen Produktionsszenarien bestimmen. Dazu zählen auch Systeme zur additiven Fertigung (3D-Druck) mit ihrem Potenzial, komplexe Geometrien mit spezifischen Eigenschaften in kleinsten Stückzahlen zu erzeugen. Zunehmend besteht Interesse, diese Technologien auch für die Herstellung von Bauteilen mit großen Abmessungen zu nutzen. Bisher fehlen hierfür jedoch geeignete Steuerungskonzepte zum schnellen Bauteilaufbau, was die Fertigung unwirtschaftlich macht. Diese Defizite sollen durch Verknüpfung von Potenzialen digitaler Informationstechnologien und des Additive Manufacturing beseitigt werden.
Der beschriebene Lösungsansatz wurde in einem Pilotprojekt zur Entwicklung einer automatisierten 3D-Druck-Anlage für die Herstellung großformatiger Gebäude- und Fassadenelemente aus biogenen Holzfaserverbundwerkstoffen (Wood-fiber Polymer Composites) umgesetzt.
Die zu fertigenden Bauteile mit Abmessungen von 6.000 mm x 6.000 mm x 200 mm besitzen ein Gewicht von ca. 3.000 kg. Um derartig große Bauteile in kurzer Zeit drucken zu können, werden Beschleunigungen des Druckkopfes von 2 3 g benötigt. Zur Erzielung der geforderten Bauteilqualität muss das System den statischen und dynamischen Belastungen entsprechend dimensioniert werden.
Um die kostenintensive Fertigungszeit zu minimieren, wurde ein geeignetes Steuerungskonzept entwickelt. Dieses umfasst die Bestandteile Komponentenansteuerung, Bahnplanung und Maschinenüberwachung. Hauptinhalte bilden hierbei die Kopplung der Simulation mit der Maschinensteuerung (SPS, Extruderansteuerung) und die Entwicklung eines Sicherheitskonzeptes zur Gewährleistung kollisionsfreier Arbeitsräume. Die Steuerungsentwicklung für die komplexen Produktionsabläufe wurde durch das vom Fraunhofer IFF entwickelte Simulationswerkzeug »VINCENT« unterstützt.
Mit diesem integrativen Ansatz zur Bahnplanung und Ablaufsimulation ist ein geometrischer und funktionaler Test bereits vor Beginn der Anlagenfertigung möglich. Dadurch können Baugruppen, Aggregate, Steuerung und Medien parallel entwickelt und optimiert werden. Die hochproduktive Fertigungsanlage weist folgende spezifische Eigenschaften auf:
- Großer Bauraum mit Bauteil-Kantenlängen bis 6.000 mm
- Schneller Aufbau in großen und variablen Schichtstärken (> 4-10 mm) bei hohem Materialdurchsatz (> 10 dm³/h)
- Natürliche Materialien auf Basis von thermoplastischen Holzfaser-Verbundwerkstoffen (Biopolymere)
- Flexibler hybrider Fertigungsprozess: Extruder basierter Bauteilaufbau und Nachbearbeitung durch Fräsen in gleicher Aufspannung (Wechseleinheit für Auftrags- und Fräswerkzeug)
- Modernes Steuerungskonzept zur optimalen Bahnplanung und Extruderansteuerung
Mit dem neuartigen Digitalisierungsansatz für den großformatigen 3D-Druck können völlig neue Erzeugnisse hergestellt werden, die sich bisher aufgrund ihrer Komplexität und der kostenintensiven Fertigungszeit der wirtschaftlichen Fertigung verschließen. Dazu gehören u. a. tragende Bauteile mit hohem Wärmedämmwert für die Errichtung oder Verkleidung von Gebäuden, Terrassenelemente und Fertigteile für den Hausbau. Das verwendete Portalkonzept lässt die Fertigung von Bauteilen mit praktisch unbeschränkten Abmessungen zu.
Für einen kontinuierlichen Bauprozess in der Anlage wurde ein Extrusionssystem mit Nadelverschlussdüse entwickelt, welches die in Form von Granulat vorliegenden Werkstoffe direkt verarbeiten kann. Diese ersetzen die bisher verwendeten petrobasierten und teureren Materialien. Die Extrudereinheit wurde für hohe Aufbauraten von bis zu 20 kg/Std. konzipiert. Das innovative Steuerungskonzept ermöglicht einen schnellen Bauteilaufbau und führt zu einer deutlichen Reduzierung der Fertigungszeiten um bis zu 25%.
14.10.2022
