Komplette Extrusionslinie für 3D-Drucker-Filamente von COMPUPLAST s.r.o.

Wie haben wir die Extrusionsmaschine für 3D-Drucker-Filamente entwickelt?

Das wohl größte konstruktive Rätsel für uns war die Extrusionsmaschine. Vor 3 Jahren haben wir uns also an die Arbeit gemacht und begonnen, eine Extrusionsmaschine zu entwickeln, die direkt für das Extrudieren von Filamenten für 3D-Drucker konzipiert ist. Wir haben einen Schneckendurchmesser von 25 mm gewählt, da diese Größe ideal für Extrusionsgeschwindigkeiten von etwa 40-60 m/min ist und gleichzeitig das Testen neuer Materialien z. B. bei Geschwindigkeiten von etwa 20 m/min ermöglicht, was die meisten unserer Kunden schätzen. Der Motor mit Getriebe und Frequenzumrichter ist so ausgelegt, dass er auch bei maximaler Drehzahl (2.500 U/min = 87 Hz) das Nenndrehmoment erreicht. Die Steuerung erfolgt über eine SPS und einen 12“-Touchscreen, auf dem der gesamte Extrusionsprozess grafisch übersichtlich dargestellt wird, einschließlich der Möglichkeit, Rezepturen zu speichern sowie den gewählten Schneckentyp mit grafischer Darstellung anzuzeigen, ob am Extruderausgang ein Schmelze-Breaker oder nur ein Ring eingelegt ist. Der Zylinder verfügt über 4 Heiz- und Kühlzonen, Temperaturmessung unter dem Trichter mit Messung des Durchflusses und der Temperatur des Kühlwassers sowie 2 Zonen für den Extrusionskopf und den Anschlussflansch. Bestandteil der Messung ist auch ein Sensor zur Messung von Schmelzedruck und -temperatur.

In Bezug auf die Materialdosierung haben wir die Maschine mit einer gravimetrischen Dosierung sowohl für die Hauptkomponente als auch für die Nebenkomponente (z. B. Masterbatches) ausgestattet. Vom Bedienpanel des Extruders aus können wir auch den Abzug steuern, sodass die Bänder pneumatisch geschlossen und die Maschine mit der gegebenen Geschwindigkeit gestartet werden kann, was für das Bedienpersonal besonders beim Produktionsbeginn während des Einfädelns des Filaments sehr praktisch ist. Auf Wunsch können wir die Extrusionsmaschine mit einer Temperatureinstellung bis zu 400°C liefern.

Die Kühlwanne ist mit einer Wassertemperierung bis zu 90°C ausgestattet, eine Pumpe mit Beständigkeit gegenüber diesen Temperaturen sorgt für eine ständige und gleichmäßige Zirkulation. Am Eingang zur Wanne befindet sich ein Mehrsektionsbereich, der Variabilität ermöglicht, z. B. für die Extrusion und spezifische Kühlung anspruchsvoller technischer Materialien wie PEEK, PEI, PEAK usw. Die Steuerung erfolgt erneut über SPS und Touchscreen, worüber die Steuerung der Wanne einschließlich der Anzeige der erforderlichen Parameter erfolgt, sowie die Möglichkeit, den Filamentdurchmesser in zwei (auf Wunsch in drei) Achsen mittels anschließender Laser-Durchmessermessung anzuzeigen. Am Ausgang der Wanne befindet sich ein Trocknungsgerät, das die Filamente von Oberflächenwasser befreit. Die Maschine kann in drei Achsen eingestellt werden. Für Geschwindigkeiten über 60 m/min empfehlen wir bereits, mindestens 2 m zusätzliche Kühlwanne mit kaltem Wasser bereitzuhalten, die die richtige Abkühlung des Filaments sicherstellt.

Die Abzugseinrichtung ist ein Zwei-Band-Abzug mit beständigen PU-Bändern. Die Maschine ist für Geschwindigkeiten bis zu 100 m/min ausgelegt, wobei der Hauptantrieb ein Servomotor ist. Die Bewegung des oberen Bandes erfolgt mittels eines Pneumatikzylinders mit der Möglichkeit, die Entlastungskraft einzustellen, was beispielsweise bei Filamenten aus weichgemachten Materialien von Vorteil ist. Die Steuerung des Abzugs erfolgt ebenfalls über SPS, deren Einstellung die Aktivierung der Funktion zur Synchronisation der Abzugsgeschwindigkeit mit den Daten des Filament-Durchmessermessgeräts ermöglicht, was dazu beiträgt, die Filamentdurchmessertoleranzen innerhalb der geforderten Grenzen zu halten.

Die gesteuerte Filamentakkumulation spart dem Bedienpersonal Zeit und Produktionskosten

Ein weiteres Gerät in der Extrusionslinie ist der Akkumulator. Es handelt sich um eine Einrichtung, die es ermöglicht, das produzierte Filament für eine bestimmte Zeit in ihrem Speicher zu akkumulieren. Unser Gerät hat eine Akkumulationskapazität von fast 100 m, was bedeutet, dass das Bedienpersonal bei einer Extrusionsgeschwindigkeit von 100 m/min etwa 60 Sekunden Zeit für den Spulenwechsel in der Aufwickelvorrichtung hätte. Die Basis des Geräts ist eine feste Welle mit separat rotierenden Rollen und eine bewegliche Welle mit der gleichen Anzahl an Rollen. Die eigentliche Bewegung innerhalb der Filamentakkumulation stellen kolbenlose Pneumatikzylinder sicher, die von einem Proportionalventil gesteuert werden, das wiederum von der SPS geregelt wird.

Dank dieser intelligenten Steuerung und der kontinuierlichen Messung der Position der beweglichen Welle sind wir in der Lage, den Druck im jeweiligen Strang genau einzustellen und damit die Bewegungsgeschwindigkeit und insbesondere den Zug in den Filamenten zu steuern. Dank der Möglichkeit, Rezepturen zu speichern, sind wir in der Lage, für jedes Material eigene Akkumulationsparameter einzustellen. Die Maschine ist am Ausgang mit einem Not-Servo-Abzug ausgestattet, der uns eine automatische Entleerung des Akkumulators sichert, falls das Bedienpersonal z. B. den Spulenwechsel und das Starten des Aufwickelns nicht rechtzeitig schafft. Ohne diese Option würden sich die Filamente im Akkumulator beim Erreichen der maximalen Akkumulatorposition lösen, und in den meisten Fällen muss das Bedienpersonal die Extrusionsgeschwindigkeit senken, das Filament erneut in den Akkumulator einfädeln, die geforderte Extrusionsgeschwindigkeit wieder einstellen und nach dem Abgleich der Durchmessertoleranzen gemäß den Anforderungen erneut mit dem Aufwickeln beginnen. Diese Funktion spart dem Bedienpersonal viel Zeit und auch viele Kosten bei der Filamentproduktion.

Die Aufwickelvorrichtung ist als Ein-Stationen-System konzipiert. Die leere Spule muss manuell eingelegt werden, aber der weitere Prozess läuft bereits automatisch ab. Die Einheit ist mit einer pneumatischen Schere ausgestattet, die das Ende des Filaments automatisch abschneidet. Mittels eines separaten Servoantriebs wird das Filament in die dreieckige Öffnung am Aufwickeldurchmesser der Spule geführt und gleichzeitig beginnt sich die Spule zu drehen. Nach einer definierten Drehung der Spule wird das Filament in der Spule gesichert und das Aufwickeln kann schrittweise auf die geforderte Geschwindigkeit hochgefahren werden. Alles wird über SPS und einen 12“-Touchscreen mit der Möglichkeit zur Speicherung von Rezepturen gesteuert.

Das Aufwickeln erfolgt mittels eines Servoantriebs mit Zugkraftregelung durch einen Tänzer am Eingang der Maschine. Die Lagenwicklung wird ebenfalls mittels eines Servoantriebs und einer Kugelumlaufspindel realisiert. Das Ende der Wicklung auf der Spule erfolgt ebenfalls automatisch. Das Wickelende wird mit einem helfenden Schrumpfband gesichert, das nach einer definierten Anzahl von Umdrehungen automatisch zusammen mit dem Ende des Filaments abgeschnitten wird. Der eigentliche Spulenwechsel erfolgt manuell, aber wir arbeiten bereits an der vollständigen Automatisierung des gesamten Prozesses, bei dem wir davon ausgehen, dass der Prozess vollautomatisch ablaufen wird. Auf Wunsch können wir die Aufwickler auch mit einem Markiergerät ausstatten, das jede Spule mit einem eindeutigen Code und den geforderten Daten zur Filamentproduktion auf der jeweiligen Spule markiert.

Von der Linienkonfiguration bis zum Testen im Showroom

Die Linie können wir auf Kundenwunsch einschließlich Kühlgerät, Materialtrocknung und dessen Transport in den Extrudertrichter liefern. Wir sind auch in der Lage, die Linie mit einem Co-Extruder und einem Co-Extrusionskopf auszustatten, sodass das extrudierte Filament im Querschnitt z. B. Formen von zwei Halbmonden haben kann oder einen inneren Kern aus einem Material und eine äußere Schicht aus einem anderen Material. Für spezielle Materialien und Zwecke können wir auch eine Zahnradpumpe entwerfen, die das „Herz“ der Extrusionseinheit sein wird und basierend auf dem gemessenen Druck vor der Zahnradpumpe die Drehzahl des Extruders steuert.

Ein riesiger Vorteil sowohl für uns als auch für den Kunden ist die Tatsache, dass wir die komplette Linie bei uns im Showroom haben, sodass es nach Vereinbarung möglich ist, diese Linie zu testen und festzustellen, wie alles funktioniert, welche Möglichkeiten dieses Gerät bietet und welche Optionen noch angeboten werden können, um die Linie zur vollsten Zufriedenheit auszustatten.