Modulaire precisie printoplossingen voor automotive & luchtvaart

APS Tech Solutions is een divisie van Automatisierte Produktions Systeme GmbH in Höchst, Oostenrijk. Opgericht in 1987, levert het bedrijf engineering, mechanische en robotische oplossingen voor 3D waterjetsnijden en tooling machines gebruikt in de automotive, luchtvaart en mechanische markten.

"Drie jaar geleden wilden we een heel veelzijdige 3D-printer, maar konden niets vinden wat aan onze eisen voldede," zegt Nicolai Wampl, business development voor APS Tech Solutions. "Dus creëerden we ons eigen systeem, de Wizard 480+, die we vorig jaar lanceerden. Het kan printen met continue vezel, standaard thermoplastische filamenten, metaal of keramiek."

De Wizard 480+ heeft een printvolume van 400 millimeter lang x 230 millimeter breed x 370 millimeter hoog en een printbed dat tot 200°C verhit kan worden. Nozzles voor continue vezel filament printen kunnen tot 500°C verhit worden.

Hebben we echt nog een desktop printer nodig voor industriële composieten?

"Ons doel was geen desktop printer voor industriële gebruik maar meer van een echte industriële machine," zegt Wampl. "We wilden een veelzijdige printer zonder restricties maar met een setup die niet overweldigend is. Bijvoorbeeld, je kunt een goedkope desktop printer aanpassen om veelzijdiger te zijn, maar dat vereist veel know-how en tijd. Aan de andere kant is een industriële printer waar je hoog-volume onderdelen in een handjevol materialen kunt printen, maar als je iets nieuws wilt printen, wordt het moeilijk. We wilden onderdelen printen met elk materiaal dat op de markt is, maar in hoge kwaliteit." Bijvoorbeeld, het reserveonderdeel voor een stamping tool hieronder besproken vereiste nauwkeurigheid tot 0,02 millimeter.

"De 3D waterjetsnijden en tooling machines waar we mee werken moeten precies gebouwd zijn om correct te functioneren," legt Wampl uit. "We hebben deze kennis in de Wizard 480+ gestopt om de nauwkeurigheid van geprintte onderdelen te verhogen. Een ander verschil is dat we een toolwisselsysteem hebben als op een CNC-machine, wat ons in staat stelt om meerdere soorten materialen in één print te gebruiken. Bijvoorbeeld, als een klant twee verschillende soorten continue vezels in een enkele print wil gebruiken, is dat mogelijk omdat de printkoppen uitwisselbaar zijn. Prints kunnen high-performance kunststoffen zoals PEEK [polyetheretherketon] en PEKK [polyetherketoneketon], alsmede polyamide [PA] en commercieel beschikbare FDM [fused deposition modeling] filamenten gebruiken. Niet elk onderdeel heeft continue vezel nodig. We hebben ook een printhead voor simpele keramische en metaal groene onderdelen met staal of titanium, bijvoorbeeld. Let op dat keramische en metaalonderdelen gesinterd moeten worden in een tweede stap en geen kunststoffen zouden bevatten vanwege deze hoge-temperatuur post-verwerking."

Open systeem

"Meeste bedrijven hebben twee aparte machines voor metalen versus non-metalen," merkt Wampl op. "Maar voor nieuwe ontwikkelingen wil je niet elke keer een nieuwe printer kopen als je een nieuw materiaal wilt testen. We wilden geen systeem dat gesloten en beperkt is, maar in plaats daarvan een modulair, flexibel systeem, waarmee je de geprintte onderdelen kunt verbeteren of veranderen." Bijvoorbeeld, de klant wil misschien printen met continue vezel en thermoplastisch polyurethaan (TPU). "Dit is een moeilijk materiaal omdat de viscositeit zo snel daalt dat het moeilijk is om consistentie tijdens het printen te behouden. Maar we wilden een printer die dit kan accommoderen."

De Wizard 480+ is ontworpen om te printen met elk continu filament, inclusief glasvezel of koperdraad. "Onze standaard continue vezel filament is 1K koolstofvezel/PA maar we hebben ook PEEK en PLA [polylactic acid] gebruikt en we kunnen tot 3K koolstofvezel gaan," zegt Wampl. APS Tech Solutions wil continue filamenten aan de markt leveren, maar de printer is niet beperkt tot deze.

De Wizard 480+ is ook open in zijn software. "We hebben altijd wat speciale engineering nodig gehad," zegt Wampl, "en dat is waarom we de meeste controle wilden hebben. Met veel printers ben je een beetje beperkt door de software. Maar met onze software kun je de vezels precies plaatsen waar je ze wilt, en je bent niet beperkt door enig algoritme. Hoewel je een algoritme kunt gebruiken om te genereren waar de vezels moeten zijn, wilden we dat de ingenieurs controleren hoe de vezels geplaatst worden omdat ze weten hoe het onderdeel gebruikt moet worden en wat voor krachten er waar terechtkomen."

Dat gezegd hebbende, is het systeem relatief gemakkelijk te gebruiken, zegt Wampl. "Bijvoorbeeld, om met twee verschillende materialen te printen, maak je twee verschillende onderdelen in CAD. Je kiest dan welk onderdeel in welk materiaal geprint wordt met Simplify3D [Cincinnati, Ohio, VS], een slicer software gebruikt voor veel industriële 3D-printers. We hebben dan een post-processor die de G-code aanmaakt om te printen. Simplify3D stelt de instelling in van alle printparameters zoals infil laaghogte en dichtheid. Voor de post-proces, sleep en zet je het bestand neer, en dat wordt aangepast aan onze machine omdat we sommige features hebben – zoals de toolwisselaar en gebruik van continue vezel filamenten – die niet heel veelvoorkomend zijn."

"We hebben echt maar één restricitie," zegt Wampl, "en dat is de lengte van het geprintte filament. We hebben een minimum lengte van 20 millimeter. Als een ingenieur een bepaalde printlengte korter maakt dan 20 millimeter, dan lopen we in complicaties, en de post-processor vertelt je dat het niet mogelijk is."

Kwaliteit verwacht, geleverd

De eerste Wizard 480+ klant was hoogpresterende stamping toolfabrikant Stepper Fritz GmbH & Co. KG. (Pforzheim, Duitsland). "Ze hadden een reserveonderdeel nodig voor een van hun tools en vroegen of we het konden printen," zegt Wampl. "Ze worstelden om een 3D-printer voor de klus te vinden vanwege de complexe geometrie en combinatie van materialen vereist, inclusief continue koolstofvezel, thermoplastische matrix en water-oplosbare supports." De vorige versie van dit onderdeel was gemaakt met CNC-gefrezen aluminium. "We printten het onderdeel zonder enige wijzigingen aan de vorm en integreerden ook draadgaten voor inserts," merkt Wampl op. "We gebruikten een off-the-shelf gehakte koolstofvezel-gevulde PA filament voor de buitenste schil en ons continue koolstofvezel/PA filament voor de binnenkant."

Stepper evalueerde het onderdeel, bepaald dat het de vereiste nauwkeurigheid haalde, en bestelde dan onze eerste machine, zegt Wampl. "Ze draaien het sinds juli 2020 zonder enig probleem en vertellen ons dat het nog steeds onderdelen met deze nauwkeurigheid produceert."

Hoge kwaliteit is ook een kenmerk van de as-geprintte vezel-versterkte composieten, zoals getoond in de micrograaf in de openingsafbeelding, bovenaan. Met vijf lagen van APS Tech Solutions' 1K continue koolstofvezel-versterkte PEEK filament, werd het onderdeel gesneden en gemicrografieerd direct na printen, zonder verdere consolidatie of post-verwerking. Het materiaal werd ook getest bij de FH Vorarlberg (University of Applied Science in Vorarlberg, Duitsland) en gemicrografieerd bij de Universiteit Bayreuth (Bayreuth, Duitsland). De resultaten tonen een trekkingsterkte van 1.060 megapascal en een buigsterkte van 750 megapascal. "Echter, dit was zeer voorlopige testen en we bereiden nu meer gestandaardiseerde testen voor, tijdens welke onze technici geloven dat we nog hogere eigenschappen zullen bereiken," zegt Wampl.

"Onze verkopen, voor nu, zijn voornamelijk aan universiteiten en bedrijven als Stepper die niet tevreden zijn met wat er op de markt is," zegt Wampl. "Er zijn continue vezel 3D-printers met goede technologie, maar de meeste zijn beperkt in materialen of software. Ons doel is om klanten te bedienen die de hoogste kwaliteit van onderdelen nodig hebben alsook flexibiliteit, zoals mechanische en specialistische engineeringbedrijven, alsook die werkend in materiaalwetenschap en ontwikkeling."

Het bedrijf blijft werken aan eigen nieuwe ontwikkelingen, zoals het aanpassen van het systeem voor een zes-as robotarm en materialen voor ruimtevaarttoepassingen. "We geloven dat 3D-geprinte composieten een veel breder toepassingsgebied hebben dan tot nu toe gezien is, maar we breiden die horizonnen uit en maken nieuwe mogelijkheden mogelijk voor industriële onderdelen."