Maschinenbau:

Konzept für einen Großraum-3D-Drucker belegt dritten Platz bei Gruppenprojekten der Universität Siegen

Maschinenbaustudenten der Universität Siegen haben sich mit Problemstellungen aus dem Ingenieurbereich auseinandergesetzt. Auf Platz 3 landete eine Gruppe, die ein Konzept für einen Großraum-3D-Drucker entworfen hat.

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Im Rahmen von Gruppenprojekten haben sich Maschinenbaustudenten der Universität Siegen (Nordrhein Westfalen) mit Problemen aus dem Ingenieurswesen beschäftigt. Die Projekte des Sommersemesters wurden jetzt präsentiert und erhielten Auszeichnungen. Der dritte Platz wurde von Dennis Graf, Tim Bensberg, Edgar Korbmacher, Mario Wagener und Jonas Reifenrath für die Entwicklung eines Konzepts für einen Großraum-3D-Drucker belegt, berichtet die Uni Siegen. Details zum Konzept wurden leider nicht genannt. Ebenfalls auf den dritten Platz landeten Fabian Weber und Jan Schulte, die die Konstruktion eines Simulationsstandards für die Werkzeugeinrichtung an den Fertigungspressen entwickelten.

Auslöser für die Entwicklung des Konzeptes ist der zunehmende Bedarf der Industrie große Bauteile fertigen zu wollen, gleichzeitig aber flexibel zu bleiben, um auch mehrere kleine bis mittelgroße Bauteile fertigen zu können. Die Deutsche Bahn nutzt beispielsweise bereits einen großen FDM-Drucker, nicht nur für das Prototyping, sondern auch zur Herstellung von Bauteilen für den realen Einsatz. Aktuell wird der Big Rep One eingesetzt, um Kopfstützen für Züge herzustellen.

Visuelle Darstellung von einem Großraum 3D-Drucker
Konzept für einen Großraum 3D-Drucker von Maschinenbaustudenten der Uni Siegen (Bild © Universität Siegen).

Der Big Rep One von BigRep war auch der Referenzdrucker für die Entwicklung des Konzeptes und bildete den IST-Zustand. Mit einem Anschaffungspreis von ca. 40.000 € will eine Investition gut überlegt sein. So war eine zentrale Fragestellung bei der Konzepterstellung beispielsweise: Muss ein Großraum 3D-Drucker so teuer sein? Zuverlässige Drucker mit einem Drittel des Bauraums des Big Rep One von etwas über 1 m³ kosten nur wenige tausend Euro. So war eine weitere Anforderung der Projektgruppe die größtmögliche Verwendung von Standard- und Normteilen, um den Anschaffungspreis niedrig zu halten. Dabei durften allerdings nicht die Leistungsdaten wie z.B. Druckgeschwindigkeit und Widerholgenauigkeit außer Acht gelassen werden. Schließlich war das Ziel der Projektgruppe einen Großraum-3D-Drucker (FDM-Prinzip) zu konzipieren, welcher in einem technisch-wirtschaftlichen Gesamtvergleich besser abschneiden soll, als der Referenzdrucker.

So begann die Projektgruppe mit der Entwicklung. Nach treffen mit möglichen Kunden aus der Industrie sowie Herstellern von großen FDM-Druckern wurde zunächst ein umfangreicher Anforderungskatalog erstellt. Auf dessen Basis erfolgte eine Funktionenanalyse sowie die Ideensammlung- und Bewertung. Letzten Endes sind einige interessante Konzepte entstanden, wobei eins besonders herausgestochen hat (siehe Bilder).

Wesentliche Merkmale des entstandenen Drucker-Konzeptes sind nachfolgend aufgeführt:

  • Ein geschlossener Bauraum mit einer nach oben aufgehenden Klappe. Dadurch wird der Platzbedarf minimiert und eine kontrollierte Druckumgebung geschaffen.
  • Durch vier Druckköpfe, welche auf zwei Schienen jeweils unabhängig voneinander verfahren können, wird eine unglaubliche Flexibilität und Geschwindigkeit erzielt. So können vier Bauteile simultan gefertigt werden oder ein großes Bauteil mit mehreren Druckköpfen gleichzeitig.
  • Ein Multizonen-Heizbett soll nur dort Wärme einbringen, wo auch gedruckt wird. Dadurch arbeitet der Drucker Ressourceneffizient und Umweltschonend.
  • Ein mechanischer Abstreifmechanismus entfernt das gedruckte Bauteil vollautomatisch ohne manuelle Arbeit.
  • Bei den Hot-Ends handelt es sich um Bowden-Extruder. Durch diese Gewichtseinsparung an den Druckköpfen kann die Druckgeschwindigkeit erhöht und die Vibrationen auf den gesamten Drucker verringert werden.
  • Der gesamte Drucker nimmt nur eine Stellfläche von 5,35 m³ ein. Der Referenzdrucker braucht ein Drittel mehr Stellfläche.
  • Der Bauraum ist exakt 1 m³ und damit fast genauso groß wie der vom Referenzdrucker.
  • Ein realistischer Verkaufspreis wurde mit ca. 25.000 € angesetzt. Darin enthalten sind alle Material-, Fertigungs-, Entwicklungs- und Konstruktionskosten sowie ein Gewinnzuschlag. Kalkuliert wurde mit einer jährlichen Stückzahl von 1000 Geräten.

Insgesamt lässt sich sagen, dass ein interessantes Konzept entstanden ist, die Anforderungen größtenteils erfüllt werden konnten und der Referenzdrucker im technisch-wirtschaftlichen Gesamtvergleich geschlagen werden konnte. Natürlich handelt es sich hierbei nur um ein erstes Konzept und viele Details müssen noch weiter auskonstruiert und geklärt werden. Allerdings hat das Projekt gezeigt, dass im Bereich der Großraum-FDM-Drucker einiges an Potential vorhanden ist und die Drucker in der Zukunft wahrscheinlich deutlich günstiger bei deutlich mehr Funktionalität werden.

Auch der Betreuer Stefan Krick (Universität Siegen, Lehrstuhl für Produktentwicklung) war von der Projektgruppe und dem Ergebnis sehr begeistert:

“Die Studenten haben sich wirklich ins Zeug gelegt und ein Konzept mit sehr hohem Potential entwickelt. Interessant ist auch, wie schnell sich die Gruppe in das Ihnen vorher unbekannte Themengebiet des 3D-Drucks eingearbeitet hat und wirklich intelligente Lösungsideen entwickelt hat. Natürlich fehlen hier und da noch ein paar Kleinigkeiten zur Realisierung, mit einem entsprechenden Projektpartner könnte man allerdings darüber nachdenken dieses Konzept zu verwirklichen.“ (Stefan Krick, Lehrstuhl für Produktentwicklung an der Universität Siegen)

Dateien zum Download

Anbei weiterführende Dateien zum Konzept zum kostenlosen Download:

Weitere Platzierungen

Der zweite Platz wurde von den beiden Projekte „Arretierung der Kolbenrückstellfeder im geschlossenen Zustand einer nasslaufenden Lamellenkupplung“ von Lukas Held, Björn Weiß und Benedikt Prinz sowie „Entwicklung eines Prüfstandes zur Nachbil-dung der Vertikaldynamik von Schienenfahrzeugen“ der zwei Studenten Thomas Reckewell und Jan-Philipp Alhäuser erreicht.

Auf den ersten Platz landete der „magische Koffer“ von Julian Brückner, Timo Schnei-der und Alexander Joest. Ebenfalls auf den gleichen Platz landete das Projekt „Metho-dische Entwicklung einer Hubarbeitsbühne zum Anbau an die Dreipunkthydraulik eines Schleppers“ der Studenten Marvin Weber, Dominique Schneider, Selina Brink-mann, Steffen Gabsa und Mario Eisel.

Magischer Koffer
Magischer Koffer: Noch zwei Plätze vor dem Konzept für einen Großraum-3D-Drucker – und damit auf Platz 1 – landete das Projekt der Maschinenbaustudenten Julian Brückner, Timo Schneider und Alexander Joest (Bild © Universität Siegen).

Der „magische Koffer“ zeigt den gyroskopischen Effekt, der im Normalfall schwer zu begreifen ist. Das Ergebnis der Projektarbeit war ein transparenter Koffer, der sich per Knopfdruck einschalten lässt. Wenn der Koffer normal in der Hand gehalten wird, geschieht nichts, sobald man sich allerdings um die eigene Achse dreht, kippe der Koffer, entsprechend der Drehrichtung automatisch nach Außen oder Innen. Kräfte wirken dabei auf die Lagerstelle im Koffer, wenn man sich mit ihm bewegt.

In ihrer Abschlussarbeit haben Studenten des Berufskollegs Erkelenz einen 3D-Drucker entwickelt und gebaut. Die beteiligten Studenten konnten damit ihr Studium als staatlich geprüfte Techniker abschließen. An der Hochschule Reutlingen entwi-ckelte ein Studenten-Team mit „3-2-eat“ und Einsatz eines 3D-Druckers ein modernes, funktionales Essbesteck. Von polnischen Studenten werden biologisch abbaubare Schuhe mit einem 3D-Drucker hergestellt.

Dieser Artikel wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Siegen am 31.07.2017 um weiterführende Informationen zum Konzept des 3D-Druckers ergänzt. Redaktionell mitgewirkt hat an der inhaltlichen Aufwertung M.Sc. Stefan Krick, Lehrstuhl für Produktentwicklung der Universität Siegen.

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