19.03.2016

Induktiver Linearwegsensor für die additive Fertigung bei Arburg

Edle Tropfen

Mit dem Freeformer hat Arburg in der Kunststoffwelt für Aufsehen gesorgt. Die Maschine für die additive Fertigung produziert Bauteile, die nicht nur als Anschauungsobjekte taugen, sondern industriellen Ansprüchen genügen. Möglich wird das u.a. durch sehr eng aufgetragene Kunststofftröpfchen und eine komplett über Highspeed Ethernet angebundene Aktorik und Sensorik der Maschine. Die Bewegung der Schnecke in den beiden Austragseinheiten erfasst der berührungslose Linearwegsensor Li-Q25 vonTurck. Er überzeugt durch seine Genauigkeit und Abtastraten von 5kHz.


Beim Druck bewegt sich der Bauteilträger über drei Achsen auf wenige Mikrometer genau unter der starren Austragseinheit.
Bild: Arburg GmbH + Co KG

Produktionseffizienz - so lautet das Versprechen, das Kunden von Arburg erwarten dürfen. Der Kunde bekommt nicht nur die Spritzgießmaschine seiner Wahl, das Unternehmen unterstützt ihn auch dabei, seine Produktion von Kunststoffteilen möglichst effizient zu gestalten. 2013 hat Arburg sein Angebot um ein Produkt ergänzt, das in der Kunststoffwelt für Aufsehen gesorgt hat: den auf Basis von qualifizierten Standardgranulaten arbeitenden Freeformer für die werkzeuglose additive Fertigung. Kunden, die z.B. nur wenige 100 Bauteile benötigten, standen bisher vor einer schwierigen Wahl. Für solch kleine Stückzahlen lohnt sich die Fertigung eines Spritzgießwerkzeugs kaum. Legt man die Kosten auf das einzelne Bauteil um, steigt sein Preis ins Unwirtschaftliche. Seit Arburg auf der Kunststoffmesse K 2013 in Düsseldorf den Freeformer erstmalig vorstellte, bietet der Maschinenbauer auch für die wirtschaftliche Fertigung von Einzelteilen und individualisierten Kleinserien eine Lösung an. Die 3D-Druck-Branche zeigt sich relativ entspannt gegenüber dem Einstieg von Arburg in diesen Markt. Das hat zwei Gründe: Zum einen wird durch den Einstieg eines der weltweit führenden Spritzgießmaschinenherstellers die additive Fertigung aufgewertet. Zum anderen spricht der Freeformer teilweise andere Kunden an als herkömmliche 3D-Drucker.

3D-Druck für industrielle Anforderungen

Bei einem der bislang üblichen Verfahren trägt der 3D-Drucker einen Kunststoffstrang aus, der während des Fertigungsprozesses nicht unterbrochen werden kann. Das schränkt die Freiheit der Bauteil-Geometrie ein. Arburg setzt das selbst entwickelte AKF-Verfahren ein. Beim Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF) werden Bauteile ohne Werkzeug aus 3D-CAD-Daten aus geschmolzenem Standardgranulat Tropfen für Tropfen aufgebaut. Mit diesem Verfahren lassen sich auch komplexe Geometrien realisieren. "Der Freeformer fertigt nicht nur Prototypen- oder Anschauungsexemplare, sondern funktionsfähige Einzelteile und Kleinserien, die von der Stabilität und Bauteilgenauigkeit industriellen Anforderungen entsprechen", erklärt Entwicklungsleiter Dr. Eberhard Duffner. Die Arburg-Entwickler haben dem Freeformer ein weiteres Alleinstellungsmerkmal mitgegeben. Die Maschinen arbeiten mit herkömmlichen qualifizierten Kunststoffgranulaten. Diese sind in der Anschaffung günstig und Kunden haben die Granulate ohnehin schon meist auf Lager, wenn sie Kunststoffteile produzieren.

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Zwei Austragseinheiten

Der Freeformer ist standardmäßig mit zwei Austragseinheiten ausgestattet und kann damit Materialien unterschiedlicher Farbe oder Eigenschaften in einem Bauteil kombinieren. So sind auch funktionale Bauteile in Hart-Weich-Verbindung möglich. Beim AKF knüpfen die Kunststofftropfen in allen drei Dimensionen Verbindungen. Die so produzierten Bauteile sind dadurch sehr stabil. Beim Zugtest erreichen PC-Bauteile Werte um die 90%. Um diese hohe Stabilität zu erreichen, müssen die Kunststofftropfen mit hoher Dichte ausgebracht werden. Damit die Produktionszeit gering bleibt, werden in einer Sekunde rund 70 bis 200 Tropfen ausgetragen - je nachdem, ob eine Kontur oder Füllung gedruckt wird, unterschiedlich schnell. Die Austragseinheit bleibt beim Druck starr. Stattdessen bewegt sich der Träger darunter über drei Achsen auf wenige Mikrometer genau, um das Bauteil korrekt zu positionieren. Der Tisch muss im Takt der Ausbringeinheit sehr schnell über eine kurze Distanz exakt bewegt werden. "Wir haben 4ms Zeit, um den Tisch entsprechend zu positionieren", erklärt Werner Faulhaber, Leiter der Abteilung Entwicklung Elektrotechnik bei Arburg, eine Herausforderung der Freeformer-Konstruktion.

Linearwegsensor erfasst Schneckenbewegung

Den Takt und die Größe der Tropfen regelt eine Blende an der Spitze der Austragseinheit. Der plastifizierte Kunststoff wird mit einigen hundert Bar Druck vor die Blende gespannt. "Dieser Druck wird mit der Plastifizierschnecke erzeugt und geregelt. Um die Tropfengröße bezüglich Viskositätsschwankungen des aufgeschmolzenen Materials konstant zu halten, wird mit dem sich extrem langsam verändernden Schneckenweg, gemessen am Li-Sensor, ein Korrekturmodell gerechnet", so Faulhaber. Wären die Tropfen zu groß oder zu klein, würde das der Qualität des Bauteils schaden. Die Oberfläche des gedruckten Bauteils ist zwar nicht so glatt wie die eines spritzgegossenen Bauteils, allerdings sind die Tropfen sehr regelmäßig angeordnet, so dass die Abmessungen des späteren Bauteils exakt stimmen. Möglich wird das unter anderem durch den induktiven Linearwegsensor Li-Q25 von Turck, der die Bewegung der Schnecke im Freeformer erfasst. "Wir arbeiten auf 25µm genau. Der Li leistet dies über einen Weg von 500mm, ohne dass die Genauigkeit mit der Messlänge abnimmt. Diese Genauigkeit ist bei Sensoren mit Varan-Schnittstelle ein Alleinstellungsmerkmal. Die Positioniergenauigkeit und die Reproduzierbarkeit waren die entscheidenden Vorteile des Li", beschreibt Werner Faulhaber die Gründe für die Wahl des Sensors. Die Li-Sensoren werden auch an Spritzgießmaschinen von Arburg eingesetzt. Obwohl sie in diesen Spritzgießmaschinen auch an der Schnecke verwendet werden, sind die Anforderungen hier anders gelagert: "Von der Performance her ist der Li an der Spritzgießmaschine eher belastet", sagt Faulhaber. Die Geschwindigkeit der Signalausgabe ist beim Freeformer und der eher langsamen Bewegung der Schnecke unkritisch. "Hier war es aber wichtig, dass wir die Abtastrate erfüllen können, die die Servoachsen benötigten. Auch wenn die translatorische Bewegung der Schnecke selbst nicht sehr dynamisch ist, rufen wir den Wert sehr häufig ab." Arburg setzt in beiden Maschinentypen einen induktiven Linearwegsensor mit einer maximalen Abtastrate von 5kHz ein.

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Aktorik und Sensorik über Varan angesteuert

"Der Freeformer ist komplett elektrisch angetrieben. Jede Achse - und das können bis zu dreizehn Servo-Achsen sein - steuern wir über Echtzeit-Ethernet an. Wir hatten die Vision, die komplette Aktorik und einen maßgeblichen Teil der Sensorik über Echtzeit-Ethernet anzubinden", beschreibt Faulhaber die Entscheidung für das Highspeed-Ethernet-Protokoll Varan. Damit war ein weiteres Kriterium bei der Auswahl des geeigneten Linearwegsensors gesetzt. Arburg hat die Varan-Schnittstelle des Li 2012 für den Einsatz in elektrisch angetriebenen Spritzgussmaschinen mitentwickelt. Von dieser Entwicklung konnte Arburg im Freeformer erneut profitieren. "Wir haben den Vorteil, dass wir den Li-Sensor in dieser speziellen Ausführung so einfach einbinden können wie einen unserer eigenen Aktoren oder Messsysteme", sagt der Abteilungsleiter im Hinblick auf die Integration des Sensors in die Maschinensteuerung. Seine Steuerungen entwickelt Arburg für alle Maschinentypen selbst. Angesichts des rein elektrisch angetriebenen Freeformers war die hohe EMV-Stabilität ein weiterer Pluspunkt des Sensors.

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