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Oct 29, 2023

Das ist nicht möglich!

Am 26. September 1984 stimmte der Filmvertriebsberater Ben Camack zu

Am 26. September 1984 antwortete der Filmvertriebsberater Ben Camack richtig auf diesen 1.000-Dollar-Jeopardy-Hinweis: „Der Erfinder der Druckmaschine wird mit dem wertvollsten Buch der Welt in Verbindung gebracht.“ Leider hat er es am Ende vermasselt, weil er den einzigen Planeten nicht identifizieren konnte, der nicht nach einer griechischen oder römischen mythologischen Figur benannt ist (Erde), obwohl er mit glänzendem neuem Gepäck, einer Waschmaschine/Trockner-Anlage und ein paar tausend Dollar nach Hause ging steuerpflichtiges Preisgeld.

Die Antwort (oder Frage – denken Sie daran, es ist „Jeopardy!“) lautet natürlich Johannes Gutenberg, der Mitte des 14. Jahrhunderts einen Massenproduktionsprozess für eine Presse mit beweglichen Lettern entwickelte, der mit dem Druck von etwa 180 Exemplaren gipfelte die 42-zeilige Heilige Schrift, auch bekannt als „Gutenberg-Bibel“. Und während unzählige andere in den folgenden Jahrhunderten zu seinem Werk beigetragen haben, wäre die Welt heute ein ganz anderer Ort, wenn der deutsche Handwerker nicht die heutige Druckrevolution in Gang gesetzt hätte, eine Entwicklung, die zur Renaissance und zur globalen Massenkommunikation führte und letztendlich der 3D-Druck.

Dank Jeff DeGrange und seinen Kollegen von Impossible Objects Inc. mit Sitz in Chicago erlebt Gutenbergs Idee derzeit eine Art Renaissance. Der Chief Commercial Officer erklärte, dass die verbundbasierte additive Fertigung (CBAM) des Unternehmens auf unheimliche Weise wie eine moderne Druckmaschine funktioniert. „Es ist eine Hochgeschwindigkeitsmaschine, wie man sie bei der Zeitungsproduktion kennt, verwendet aber Kohlefaser- und Glasfasermaterialien anstelle von Papier“, bemerkte er.

Wie bei einem 2D-Drucker beginnt der Prozess mit dem selektiven Auftragen von Tinte auf ein Substrat. Bei CBAM handelt es sich bei Ersterem um eine „wässrige thermische Tintenstrahlflüssigkeit“, die im nächsten Schritt als Klebstoff fungiert. Dabei wird die Oberfläche mit einem Nylon 12- oder PEEK-Pulver (Polyether-Ether-Keton) mit ähnlicher Morphologie wie dem bei Selective verwendeten Pulver überflutet -Lasersintern (SLS), wodurch das Gewebe imprägniert wird. Ein Vakuumsystem entfernt dann überschüssiges Pulver und der Bogen wird zu einer automatischen Stapelstation transportiert, ähnlich wie bei der Vorbereitung eines Buches für die Veröffentlichung.

Die Ähnlichkeiten enden hier jedoch. Sobald jede Scheibe des 3D-Bildes gedruckt wurde, wird der Stapel auf den Schmelzpunkt des Polymers erhitzt und komprimiert, wodurch die Schichten verschmolzen und fest mit dem Stoffsubstrat verbunden werden. Der letzte Schritt besteht darin, den verfestigten Materialblock in eine mit weichen Strahlperlen gefüllte Strahlkabine zu legen. Diese treffen auf das Werkstück und brechen die nicht verschmolzenen Fasern ab, bis das fertige Teil (oder in den meisten Fällen Teile) glatt und betriebsbereit herauskommt.

Der gerade beschriebene Prozess ist CBAM-2, den Impossible Objects als Low-Volume-System charakterisiert. Die nächste Iteration, CBAM-HS, baut weiter auf dem Druckmaschinenkonzept auf, indem die einzelnen Bahnen aus Langfasergewebe durch Materialrollen ersetzt werden. Dies gibt Benutzern eine größere Flexibilität bei der Teilegröße und Skalierbarkeit und ist, da der Drucker kontinuierlich mit Zufuhr versorgt wird, deutlich schneller als konkurrierende Technologien. Impossible Objects arbeitet auch an weiteren Materialkombinationen wie Glas- oder Kohlefaserplatten, die mit Elastomeren und duroplastischen Materialien verschmolzen sind.

Diese letzte Materialkombination wird dazu beitragen, die Stellung des Unternehmens in der Elektronikindustrie zu festigen, wo es 3D-gedruckte „kostengünstige Wellenlötpaletten“ und andere Werkzeuge für die Herstellung von Leiterplatten (PCBs) liefert.

„Alles, was eine Leiterplatte enthält, ist für uns ein zentraler Schwerpunkt“, sagte DeGrange. „Denken Sie nur an die gesamte Elektronik in unserem Leben. Nahezu alle von ihnen erfordern eine Vorrichtung oder ein Werkzeug, und viele werden aus PEEK-Faserplatten CNC-gefräst, einem Material, das Schneidwerkzeugen ziemlich stark ausgesetzt ist. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem …“ Die additive Fertigung im Allgemeinen – insbesondere aber das CBAM-Verfahren – erweist sich als kostengünstigere Alternative.“

Ähnliche Erfolgsgeschichten gibt es auch bei Bauteilen für Drohnen und andere unbemannte Fluggeräte, denn Kohlefaser ist sowohl stark als auch leicht. Wenn es mit technischen Polymeren wie PEEK und Nylon verschmolzen und anschließend in topologieoptimierten Strukturen in 3D gedruckt wird, wird es zu einem praktikablen Ersatz für Metall in diesen und ähnlich anspruchsvollen Anwendungen.

„Auch auf dem Markt für Elektrofahrzeuge sehen wir großes Interesse“, sagte DeGrange. „Batteriegehäuse aus duroplastischem Kunststoff und Glasfaser sind beispielsweise recht stabil, leicht und feuerbeständig. Es besteht auch die Möglichkeit, Kohlefasern im Brennstoffzellenbau einzusetzen, aber wie bei mehreren anderen Anwendungen sind wir noch dabei.“ die frühen Stadien.

Impossible Objects hat auch kommerzielle Produkte aus dem Kunststoffspritzgussmarkt im Visier. „Zugegebenermaßen erfordert AM keine Investitionen in Formen oder Werkzeuge“, erklärte DeGrange, „aber die begrenzte Fertigungsgeschwindigkeit war schon immer ein ernsthafter Nachteil, insbesondere wenn man in mittlere bis hohe Produktionsmengen vordringt, wie sie in der Automobil- und Verbraucherbranche zu finden sind.“ Produktsektoren. Ich gehe davon aus, dass CBAM-HS in diesen Bereichen recht gut konkurrieren wird.

Mit mehr als 35 Jahren Erfahrung auf diesem Gebiet weiß DeGrange alles über Additive. Nach seinem Masterabschluss in Fertigungstechnik an der Washington University in St. Louis wurde DeGrange leitender Material- und Prozessingenieur bei McDonnell Douglas. Das war im Jahr 1988 und er verbrachte das nächste Jahrzehnt damit, eine Reihe von Projekten in Angriff zu nehmen – von der Herstellung und Montage von Flugzeugkomponenten bis zur Implementierung automatisierter Materialhandhabungs- und Bereitstellungssysteme in der Produktionshalle.

Als Boeing 1997 McDonnell Douglas übernahm, leitete DeGrange die Forschungs-, Technologie- und AM-Materialien- und -Prozessbemühungen des Unternehmens, wo er weitere zehn Jahre lang tätig war. Er leitete außerdem Boeings Zertifizierung und Qualifizierung von Flughardware, die mit verschiedenen AM-Technologien für die Flugzeugprogramme F/A-18 Super Hornet und 787 gebaut wurde.

Im Jahr 2008 nutzte DeGrange sein umfassendes Wissen über AM und den Luft- und Raumfahrtsektor, um als Vizepräsident für Stratasys zu arbeiten und eine vertikale Geschäftseinheit für Produktionsanwendungen aufzubauen. Obwohl er es damals noch nicht wusste, sollten die nächsten sieben Jahre den Grundstein für seine aktuelle Rolle bei Impossible Objects legen, eine Position, die er seit seinem Eintritt in das Unternehmen im Jahr 2014 innehat.

Während all dem hat DeGrange großzügig seine Zeit geopfert. Er half bei der Gründung des Direct Manufacturing Research Center an der Universität Paderborn in Deutschland. Er betreute Studenten am Museum of Science and Industry in Chicago und an FIRST Robotics, einer Organisation, die an MINT interessierte Jugendliche unterstützt, und ist Vorstandsberater am College of Engineering der University of Iowa.

In ähnlicher Funktion ist DeGrange auch an der University of Minnesota tätig, wo er sein Wissen über AM am Earl E. Bakken Medical Device Center weitergibt.

DeGrange war in den Anfängen von AM dabei, als Stereolithographie und Fused-Deposition-Modeling die einzigen Drucker in der Stadt waren. Da er auf beiden Seiten des Additivzauns gearbeitet hat – zunächst als Anwender, dann als Lieferant – verfügt er über wertvolle Einblicke in die Herausforderungen, denen sich beide gegenübersehen. Auf die Frage, was die nächsten zehn Jahre für die Branche und seinen derzeitigen Arbeitgeber bereithalten, hatte DeGrange viel zu sagen.

Während er sicherlich die beschleunigte Baugeschwindigkeit von CBAM anpreist (und noch schnellere Verbesserungen folgen werden), schlägt er vor, dass Hersteller von 3D-Druckern (und ihre Kunden) auch über Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit, Betriebszeit und Durchsatz ihrer Geräte nachdenken müssen.

Eine weitere Beobachtung ist, dass der Ansatz des „gesamten geschlossenen Materialsystems“ durchaus seine Berechtigung haben könnte und dass es für Lieferanten wichtig ist, ihre Produkte auf bestimmte Rohstoffe abzustimmen, der Endverbraucher jedoch auch die Möglichkeit haben sollte, mit anderen Materialien zu experimentieren. „Einige 3D-Drucker-Unternehmen erzielen weiterhin sehr gute Gewinnspannen bei ihren Verbrauchsmaterialien, obwohl ich denke, dass sich das allmählich ändert, da die Technologie weiterhin auf dem Vormarsch in die Fertigung ist und die Kunden eine größere Freiheit bei der Materialbeschaffung erwarten.“

DeGrange rief dann den Elefanten im Raum hervor: Nachbearbeitung. Wie jeder, der einen 3D-Drucker bedient hat, weiß, kommen die Teile nicht einfach fertig und einsatzbereit aus diesen Maschinen. „Ob Metall, Polymere oder Verbundwerkstoffe, es müssen viele nachgelagerte Arbeiten erledigt werden, bevor ein Endprodukt entsteht“, fügte er hinzu. „Solange wir diese Schritte nicht automatisieren, wird die Akzeptanz durch Großserienhersteller minimal bleiben.“

Trotz dieser Überlegungen ist DeGrange hinsichtlich der Zukunft von AM optimistisch. „Mit der Ankunft der jüngeren Generation und all den verschiedenen Tools zur Designoptimierung, die ihnen zur Verfügung stehen, denke ich, dass AM weiterhin Akzeptanz und Wachstum erfahren wird, insbesondere wenn wir die Automatisierungsprobleme lösen können, die ich gerade erwähnt habe. Dazu kommt noch der 3D-Druck.“ immer höhere Geschwindigkeit und Genauigkeit, zusammen mit der Entwicklung AM-spezifischer Materialien, und wir stehen an der Schwelle zu etwas wirklich Spielveränderndem.“