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EFRE-Transferprojekt

Wirtschaftliches Additive Manufacturing durch modulare Maschinenkonzepte für Kleinserienproduktion in KMU (AddPro-KMU)

Ausgangssituation


Additive Fertigungsverfahren werden im industriellen Umfeld heute bevorzugt zur Herstellung von Kunststoffteilen als „Anfass-“ oder „Designmodelle“ eingesetzt (Rapid Prototyping). Bedingt durch die geforderte Bauteilgenauigkeit und einer hohen Maschinenverfügbarkeit liegen diese Anlagen in einem Preissegment von meist deutlich über 100 T€. Eine Anlagenrentabilität ist in vielen Fällen nicht gegeben, da die sehr hohen Anschaffungskosten von Industrieanlagen und die langen Fertigungszeiten der Bauteile hohe Stückkosten implizieren.

Demgegenüber besteht ein Angebot eher ungenauer und weniger zuverlässiger 3D-Drucker mit geringeren Anschaffungskosten bis ca. 5 T€ für die Herstellung kleinerer Komponenten hauptsächlich im Hobby-Segment. Diese Systeme sind für industrielle Fertigungsumgebungen allerdings untauglich.

Ein signifikantes Interesse des produzierenden Gewerbes liegt darin, das Rapid Prototyping auch für die wirtschaftliche Herstellung in der Klein- und Serienfertigung einzusetzen (Additive Manufacturing). Wünschenswert wären Fertigungsanlagen, die Standards industrieller Produktion (Zuverlässigkeit, hochwertige Komponenten usw.) mit einem kostensenkenden Ansatz modularer Bauweise verbinden. So könnte eine Lücke zwischen den beiden oben beschriebenen Segmenten geschlossen werden.

Gegenstand des Technologietransfers


Das Projekt AddPro-KMU hat zum Ziel, modular aufgebaute und kostengünstige Maschinenkonzepte für Additive Manufacturing zusammenzustellen und umzusetzen. Damit greift das Projekt die im Vorausgegangenen beschriebenen Probleme der kleinen und mittelständischen Unternehmen im Bereich Additive Manufacturing auf und soll den Unternehmen einen Einstieg in diese zukunftsweisende Technologie ermöglichen.

Im Projekt wird zum einen durch standardisierte Baugruppen (Antriebseinheit, Bedieneinheiten, Druckköpfe, etc.) eine universelle Einsetzbarkeit von Schlüsselkomponenten in verschiedenen Maschinenkonzepten erreicht. Zum anderen erlaubt die Modularität einen stufenweisen Ausbau der Anlage, je nach Anforderungen. So kann für einen relativ niedrigen Anschaffungspreis eine Anlage auf Industrieniveau umgesetzt werden, die durch zusätzliche Module in ihrer Funktion erweitert werden kann.

 

 

Projektverlauf

Im Rahmen des Projekts AddPro-KMU wurde für ein Schulprojekt ein sogenannter „Finn-Gripper“ aus flexiblem Material für eine „Greifschere“ gedruckt.

Im Rahmen des Schülerinnen-Workshops wurde das Thema LaserScannen und 3D-Druck insgesamt 20 interessierten Schülerinnen nähergebracht.

Abbildung 1 Druck einer Filamentrollen-Halterung mit 20% Infill (Fast Honeycomb) bei 0,2 mm Schichthöhe

In den vergangenen Wochen haben sich die Funktionen des ersten Prototyps weiterentwickelt:

Inzwischen lassen sich Teile aus Polylactide (PLA) herstellen.Dafür wird das Filament auf über 200 °C erhitzt und auf das auf 65 °C erwärmte Heizbett definiert aufgetragen. Es konnten bereits Würfel mit einer Genauigkeit von ± 0,05 mm bei einer Kantenlänge von 20 mm gedruckt werden. Um die maximale Druckgeschwindigkeit zu erreichen, werden empirisch die optimalen Parameter ermittelt.

Innerhalb der nächsten Wochen wird ein Schaltschrank und ein automatisches Werkzeugwechselsystem installiert sowie weitere Komponenten um die Druckqualität zu verbessern (siehe Abbildung 2).

Die MS Wissenschaft des BMBF war Anfang Oktober zu Gast im Nürnberger Hafen. Bei einer Veranstaltung der TH Nürnberg konnte das Projekt AddPro-KMU geladenen Gästen vorgestellt werden und erzeugte durchgehend positive Resonanz!

Stand auf den Münchner Wissenschaftstagen (muenchner-wissenschaftstage.de) in Kooperation mit Bionicum/Bayerisches Landesamt für Umwelt.

Ausstellung der EFRE AddPro-KMU-Aktivitäten auf der VDI-Technikmeile in Nürnberg

Erste Bauteile aus der EFRE AddPro-KMU-Anlage an Industriepartner übergeben.

Heute konnten wir die ersten großen Bauteile aus unserem 3D-Drucker an unseren Industriepartner IBK übergeben.

Die Technische Hochschule Nürnberg war dieses Jahr unter anderem mit dem Projekt AddPro-KMU auf der Hannover Messe vertreten. Die Besucher hatten die Möglichkeit den Prototyp als Augmented Reality Modell mit Hilfe eines Tablets zu untersuchen. Das Modell beinhaltete dabei sowohl die Grundkonstruktion als auch die Erweiterungsmodule, den Zweiachs-Bearbeitungstisch und das Werkzeugwechselsystem.

Der zweite Projekt-Workshop wurde erfolgreich durchgeführt. Dabei wurde das Augenmerk auf den aktuellen Prototypen gelenkt und über die neuen Erweiterungsmodule diskutiert. Die Projekt-Partner hatten dabei die Möglichkeit, ihre Ideen und Wünsche zu äußern sowie Änderungen vorzuschlagen. Eine Demonstration des Druckvorgangs am aktuellen Prototyp rundete den Workshop ab.

Dem aktuellen Folder können Sie Informationen entnehmen.

Seit dem Projektworkshop im Mai hat sich einiges getan. Es können inzwischen mehrere Materialien verarbeitet werden, so zum Beispiel PLA (Polylactid), PETG (mit Glykol modifiziertes Polyethylenterephthalat), StoneFil (PLA mit Steinpulveranteilen) und EasyWood (PLA mit Holzanteilen).

Des Weiteren wurde das Zusatzmodul Werkzeugwechselsystem vormontiert. In den kommenden Wochen wird dieses Werkzeugwechselsystem in Betrieb genommen. Mit Hilfe dieses Systems soll es in Zukunft möglich sein, während des Drucks das Werkzeug zu wechseln. Das ist vor allem dann von Vorteil, wenn verschiedene Materialen gedruckt werden sollen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit ein Fräswerkzeug einzusetzen, um die Oberfläche nach dem Druck noch subtraktiv bearbeiten zu können.

Auch soll ein Pick-and-place Modul als Werkzeug entwickelt werden, das automatisch eingewechselt werden kann. Dieses Modul soll in der Lage sein, Normteile, wie Scheiben oder Muttern, bereits während des Drucks in das Teil einbringen zu können.

Prototyp 1 mit der Druckkopf-Position X100, Y200, Z25

Der Prototyp wurde aufgebaut und erste Testfahrten durchgeführt. Zum Einsatz kommen dabei, wie im 3D-Druck-Bereich üblich, NEMA 17 Schrittmotoren. Über ein Webinterface oder alternativ über ein Touch-Frontpanel können in Zukunft bestimmte Funktionen aufgerufen und Drucke gestartet werden. Auch lassen sich eigene Makros und automatisierte Vorgänge über diese Bedienoberflächen aufrufen. Aktuell ist es möglich, den Koordinatenursprung über optische Endstopps automatisch zu definieren sowie die Achsen manuell zu verfahren.

Parallel zu den ersten Versuchen werden ein Zweiachs-Schwenktisch sowie ein automatisches Werkzeugwechselsystem entwickelt.

Virtuelles Modell

Die Mechanik des ersten Prototyps steht – zumindest virtuell.
Daher wurden in den letzten Tagen schon die ersten Bestellungen aufgegeben um aus dem virtuellen Modell einen echten 3D-Drucker entstehen zu lassen. Darunter befinden sich spielfreie Kugelumlaufspindeln, Aluminiumprofile, Linearführungen und vieles mehr. Um ein besseres Gefühl für die Größe des Druckers zu entwickeln, wurde die Baugruppe per Augmented Reality bereits auf einem Büroschreibtisch sowie im Labor platziert.
Die nächsten Schritte werden sein, die Mechanik aufzubauen und einzurichten. Parallel dazu wird die entsprechende Elektronik verglichen und geeignete Schrittmotoren sowie Steuerungen ausgesucht.

21 Teilnehmer von fast allen beteiligten KMU kamen am 15.05.2019 von 14:00 Uhr bis 17:30 Uhr an die TH Nürnberg, um sich über den aktuellen Stand des Gesamtprojektes zu informieren.

Am 17.09.2019 fand der Anwendertreff Additive Fertigung an der TH Nürnberg stand. Organisiert wurde er von Bayern Innovativ und dem Institut OHM-CMP. AddPro-KMU war mit einem Vortrag und mehreren Live-Präsentationen des entwickelten 3D- Druckers vertreten.

Ansicht des Prototypen
Isometrische Ansicht des Prototypen

Die aktuelle Phase des AddPro-KMU-Projektes befasst sich hauptsächlich mit der Konstruktion eines Prototypen unter Bewertung und Umsetzung verschiedener Ideen und Ansätze.
In der nebenstehenden Abbildung wird der aktuelle Status des Prototypen mit fester Bodenplatte gezeigt: der horizontale Rahmen aus Alu-Profilen stellt die verfahrbare Z-Ebene dar. Auf diesem Rahmen kann in y-Richtung (quer) und in x-Richtugn (längs) verfahren werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die Bodenplatte an jedem Punkt mit dem Druckkopf erreicht werden kann. Im Zentrum der Abbildung lässt sich der beispielhaft eingesetzte Bowden Extruder mit zwei Düsen erkennen.
Aus einer Kombination von Linearführungen, Kugelumlaufspindeln und Schrittmotoren werden die verschiedenen Antriebe realisiert. Der Bauraum dieses Prototypen beläuft sich auf (bxhxt) 400 mm x 300 mm x 220 mm.

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Am 26.04.2017 war der offizielle Start des EFRE-Projektes AddPro-KMU. Zum Kick-Off-Meeting waren alle Projektpartner und Interessierte innerhalb der Hochschule eingeladen.
Bei der Einführung ging es um die Präsentation der Konzeptidee, der Zielausrichtung und der Herangehensweise an das Projekt sowie um organisatorische Angelegenheiten. Die geladenen Gäste und Kooperationspartner hatten die Möglichkeit, eigene Ideen und Anregungen kundzutun und diese zu besprechen. Anschließend wurde ein Rundgang durch das Labor für Produktentwicklung der Fakultät MB/VS angeboten.
Bei einem anschließenden Get-Together wurden in geselliger Atmosphäre Kontakte geknüpft und vertieft.

Haben wir Ihr Interesse geweckt?
Sprechen Sie uns an!

Kontakt:


Prof. Dr.-Ing. Michael Koch
michael.koch@th-nuernberg.de
Institut für Chemie, Material- und Produktentwicklung (OHM-CMP)
Labor für Produktentwicklung