Mit dem Projekt wurde eine bedeutende industrielle Aufrüstung des ARBURG Freeformers für die Produktion von Metallteilen erreicht. Das technische Hauptziel bestand darin, den Verschleiß der Austragseinheit zu verringern und durch eine optimierte Steuerung einen gleichmäßigen Volumenausstoß zu erreichen. In der ersten Phase wurde eine umfassende Bedarfsanalyse durchgeführt, die zur Qualifizierung eines geeigneten Feedstocks auf der Basis von Edelstahl 316L führte. Das Ausgangsmaterial wurde mit einem an die spezifische Oberfläche und Dichte des Pulvers angepassten Bindemittelsystem formuliert, das die Herstellung von 316L-Grünteilen mit einer Standardschichtdicke von 0,2 mm ermöglicht. Die Prozessparameter, die sich als effektiv erwiesen, waren eine Entladungsfrequenz von 85 % bei einem Formfaktor von 1,45, eine Bauraumtemperatur von 40 °C und eine Düsentemperatur von 160 °C.
Um die Lebensdauer der Austragseinheit zu verlängern, wurde die Geometrie der Düse und der Verschlussnadel verändert. Die Verschleißanalyse folgte der Richtlinie VDI 3822, beginnend mit der Schadensbeschreibung, der Formulierung von Hypothesen und der Überprüfung durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen. Eine metallographische Untersuchung ergab Abrieb und Kaltverschweißung zwischen der Nadelspitze und dem Dichtungssitz, verursacht durch das abrasive Ausgangsmaterial. Die Nadel wurde mit dem 316L-Einsatzmaterial bei 150 Hz für 4,5 Millionen Öffnungs- und Schließzyklen getestet, woraufhin erhebliche Schäden und ein Verlust der Dichtungsleistung festgestellt wurden. Die Studie identifizierte die Schnittstelle zwischen Nadel und Düse als kritischen Verschleißmechanismus und leitete die Entwicklung einer verschleißfesteren Geometrie ein.
Die Fluiddynamik der Schmelze in der Entladeeinheit wurde mit ANSYS Fluent untersucht. Die Standardgeometrie und mehrere Varianten wurden verglichen. Die Netzverfeinerung im Ringspaltbereich und die dynamische Netzgenerierung während der Nadelbewegung sorgten für eine ausreichende Qualität. Bei einer Entladungsfrequenz von 200 Hz war der Druck an der Startposition der Nadel höher als der Ringspaltdruck und fiel am Auslass auf Umgebungsdruck ab. Während des Abstiegs der Nadel stiegen der Druck und der Volumenstrom, während die Strömungsgeschwindigkeit nach dem Ringspalt anstieg. Die Simulationen zeigten, dass ein größerer Düsenwandwinkel die Schmelzgeschwindigkeit und den Volumenstrom reduzierte, während ein Spitzenwinkel von 120° den höchsten Massendruck und die höchste Wandschubspannung erzeugte. Diese Ergebnisse leiteten die Neugestaltung der Austragseinheit, um ein Gleichgewicht zwischen Fließgeschwindigkeit und Verschleiß zu erreichen.
Ein optimiertes Steuerungssystem wurde in MATLAB Simulink entworfen. Der Regler regelt dynamisch die Massendruckerzeugung in der Ausstoßeinheit, um einen robusten Volumenstrom zu erreichen. Die hochfrequente Druckmessung innerhalb der Düse wurde durch optische Drucksensoren ermöglicht, die in den Regelkreis integriert wurden. Der Controller wurde durch Lebenszyklustests an verbesserten Prototypen der Entladungseinheit validiert und komplexe Demonstratoren wurden unter Verwendung der optimierten Herstellungsparameter hergestellt.
Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert und in Zusammenarbeit mit der ARBURG GmbH & Co. KG, die den Freeformer lieferte und technisches Fachwissen über die Entladungseinheit bereitstellte, der Heidelberger Druckmaschinen AG, die den industriellen Transfer und die Verwendung von Rohmaterial aus Edelstahl ermöglichte, und CeWOTeC, das die Materialcharakterisierung und die spektroskopische Analyse durchführte. Der Forschungszeitraum erstreckte sich von 2021 bis 2023. In dieser Zeit entwickelte das Team ein neues Ausgangsmaterial, gestaltete die Entladungseinheit neu, implementierte ein leistungsstarkes Steuerungssystem und demonstrierte die Machbarkeit der industriellen Produktion von 316L-Metallteilen mit dem ARBURG Freeformer.