Großvolumiger 3D-Druck mit Industrieroboter und Granulat-Extruder

3D-Druck ist großartig, allerdings ist der Bauraum der meisten Drucker beschränkt und große Bauteile benötigen viel Zeit. Ascan Aldag, Gründer von Engineering-Art aus Hamburg, hat sich das Ziel gesetzt, große Objekte in kurzer Zeit zu drucken.

Der Ingenieur und Künstler beschäftigt sich schon einige Jahre mit 3D-Druck, wobei die Grenzen der üblichen Desktop-3D-Drucker schnell erreicht wurden. Es sollten große Möbel, Leuchten und Objekte gedruckt werden, mit Druckzeiten von nur wenigen Stunden. Außerdem sollten die Ergebnisse belastbar sein, so dass sie im Alltag verwendet werden können.

Es bestand schon immer eine Faszination für Industrieroboter, Kraft kombiniert mit Geschwindigkeit und Präzision. So wurde ein ABB Industrieroboter mit einem 1,5m langen Arm als Basis für den 3D-Drucker verwendet, wodurch ein Druckraum von über 1m³ erreicht wird.

Andere Roboterprojekte nutzen handelsübliche Filament-Extruder, dies ist aber keine Lösung zum Druck großer Objekte. Insbesondere die langsame Druckgeschwindigkeit von ca. 100g/h würde zu einer Druckzeit von mehreren Tagen führen.

Die Lösung war die Eigenentwicklung eines Granulat-Extruders. Dies erwies sich als komplexer als zunächst angenommen. Motor, Getriebe, Temperatur und Geschwindigkeit mussten aufeinander abgestimmt werden. Nach vielen Testläufen und Optimierungen läuft der Extruder inzwischen zuverlässig. Der Extruder kann bis zu 2kg Kunststoff pro Stunde verarbeiten, wobei Düsen von 1-3mm zum Einsatz kommen. So können zwar keine feinen Details, dafür aber große und sehr stabile Strukturen mit hoher Geschwindigkeit gedruckt werden.

Die Herausforderungen waren damit aber noch nicht zu Ende. Ein Roboterarm ist nicht für den 3D-Druck entwickelt worden. Der verwendete, etwas betagte Roboter kann nur 10.000 Wegpunkte verarbeiten, was für einen Einsatz in der Automobilindustrie vollkommen ausreicht. Ein typischer 3D-Druck besteht aber schnell aus mehreren 100.000 Wegpunkten. Des Weiteren muss die Bewegung des Roboterarms mit dem Extruder synchronisiert werden.

Als flexible Softwarelösung kommt RoboDK zum Einsatz. Die Software kann den 3D-Druck typischen g-code in rapid umwandeln, die Programmiersprache von ABB-Robotern. Hierbei wird einerseits die benötigte Extruder-Geschwindigkeit errechnet und andererseits der Code in handliche Pakete geteilt, die nacheinander vom Roboter abgearbeitet werden.

Inzwischen kann der Roboter fast genauso einfach wie ein handelsüblicher 3D-Drucker verwendet werden und es ist noch viel Potential für die Zukunft vorhanden: Verwendung anderer Materialien, Druck frei im Raum statt auf z-Ebenen oder eine angepasste Orientierung des Extruders (ein Roboter hat ab Werk sechs Freiheitsgrade).

Eines der nächsten Ziele ist die Verwendung von recyceltem Kunststoff. Es wird viel über Plastikmüll diskutiert, aber eine gute Lösung ist nicht in Sicht. Dabei kann Kunststoff einfach erhitzt und einige Male wiederverwendet werden. Der Granulat-Extruder ermöglicht eine direkte Verarbeitung von geschreddertem Kunststoff, ohne dass weitere Zwischenschritte notwendig sind.

Wäre es nicht großartig, anstatt Kunststoffteile wegzuschmeißen könnten wir etwas Neues daraus produzieren. Ein Lampenschirm aus Yoghurtbechern, ein Tisch aus Getränkeflaschen oder eine Parkbank aus alten Verpackungen… Ascan Aldag möchte helfen, die Welt ein bisschen besser zu machen.

Engineering-Art ist noch auf der Suche nach spannenden Projekten, interessanten Kooperationen und lukrativen Aufträgen. Mehr Informationen und Kontaktdaten auf: www.engineering-art.de