Ein Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern aus den USA und der Türkei hat einen 1.000 US-Dollar günstigen WAAM-3D-Drucker entwickelt. Der Open-Source-Metall-3D-Drucker ist quelloffen und mit Kohlenstoffstahl und Inconel 718 kompatibel. Wir stellen ihn vor.

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Ingenieuren der California State University und der türkischen Eskisehir Osmangazi University haben einen Metall-3D-Drucker für das WAAM-3D-Druckverfahren für nur 1.000 US-Dollar (884 Euro) entwickelt. Die Integration einer Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißtechnologie (GTAW) in einen FDM-ähnlichen Portalaufbau ermöglichte es den Ingenieuren, eine Maschine zu entwickeln, die nicht auf komplexe Roboterarme angewiesen ist. Sie bleibt erschwinglich und quelloffen und ist mit Kohlenstoffstahl und Inconel 718 kompatibel. Die Details zur Arbeit der Ingenieure wurde in einem Artikel mit dem Titel „Development of a Low-Cost Wire Arc Additive Manufacturing System“ veröffentlicht.

Das Team erklärte:

„Das vorgeschlagene System kann zusammen mit den richtigen Prozessparametern mit vielen Metalllegierungen verwendet werden, die von GTAW und WAAM verarbeitet werden können, mit weniger Aufwand und geringeren Kosten im Vergleich zu den teuren Pulverbettsystemen. Beispiele für verarbeitbare Legierungen sind Superlegierungen auf Titan-, Aluminium-, Nickel- und Kobaltbasis sowie niedriglegierte Stähle.“

Warum Wolfram-Inertgas-Schweißen (GTAW)?

In verschiedenen Sektoren (Luft– und Raumfahrt, Automobil und andere) haben Technologien wie das Pulverbettschmelzen (PBF) und die Directed Energy Deposition (DED) deutliche Vorteile gegenüber subtraktiven Verfahren. 3D-Drucker für die Powder Bed Fusion, die filigrane Objekte mit inneren Passagen und hochauflösenden Bereichen ermöglicht, sind kompliziert und teuer. DED-Maschinen bieten große Bauvolumina und die Fähigkeit, Kompetenten zu reparieren, basieren jedoch auf kostspieligen Lasern und Robotern. Der drahtgebundene DED-3D-Druck-Prozess von MX3D wurde im vergangenen November erfolgreich durch das Lloyd’s Register zertifiziert.

Der gasbetriebene Ansatz beim GTAW, bei dem ein elektrischer Lichtbogen verwendet wird, um Drahtrohstoffe in die gewünschten Formen zu schmelzen, ist aufgrund der erschwinglichen halb automatischen Drahtvorschubsysteme und der breiten Legierungskompatibilität beliebt. Ein GTAW-System zu entwickeln, kann aber gefährlich sein, denn instabile Parameter könnten fehlerhafte Teile oder Sicherheitsprobleme mit sich bringen.

3D-gedruckte Wandstruktur (30 Schichten, Profilansicht (a) und Querschnitt (b))
3D-gedruckte Wandstruktur (30 Schichten, Profilansicht (a) und Querschnitt (b))(Bild © Journal of Manufacturing and Materials Processing)

Details zum kostengünstigen GTAW-System

Das GTAW-System der Ingenieure besteht aus einem WIG-Schweißgerät, einem Mikrocontroller und speziell entwickelten Teilen wie einem kundenspezifischen automatischen Feeder an einem Außenrahmen. Optisch ähnelt er einem kartesischen FDM-3D-Drucker. Mit einem Stratasys U-plus-System druckten sie mehr als 40 Bauteile aus ABS für die Halterung des Geräts selbst und senkten die Kosten auf rund 1.000 US-Dollar. Der Gasbehälter und der Computer zum Betanken und Programmieren kostete extra. Tests zeigten, dass der Prototyp Anweisungen von einem Open-Source-Arduino-Mikrocontroller empfangen und einen Wolframbogen mit einem Strom von 5-150 Ampere erzeugen konnte.

Es gab jedoch auch Probleme wie Teileerweichung, Oberflächenwelligkeit und spitz zulaufende Formen aufgrund von Vorschubschwankungen und Brennerüberhitzung. Zum Teil ließen sich diese beheben, aber der Winkel zwischen Brenner, Lage und Drahtvorschub muss weiterhin angepasst werden. Würde die Maschine mit einer geschlossenen Inertgas gefüllten Schutzkammer ausgestattet werden, die verhindert, dass Metalle atmosphärisch gestört werden, könnte das laut den Ingenieuren einige der Probleme lösen. Da sie automatisch betrieben werden kann, wäre sie für den alltäglichen Anwender betriebssicher trotz des sehr hellen und weißen Lichtbogens, der während der Produktion entsteht.

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