Was sind industrielle 3D Drucker?

TL;DR

Industrielle 3D Drucker erfüllen die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, verfügen über ein Gehäuse und besitzen Sensoren und Überwachungseinrichtungen für einen sicheren Betrieb. Die Maschinensteuerung ermöglicht eine kontinuierliche Prozessüberwachung und Prozessparameter können kontinuierlich angepasst werden. Service- und Wartungspläne werden durch den Hersteller bereitgestellt.

Einleitung

Maschinenrichtlinie 2006/42/EG vs. Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU

Die Maschinenrichtlinie (MRL) definiert Mindestanforderungen an Maschinen die in der europäischen Union in Verkehr gebracht werden. Dabei ist die Definition einer Maschine im Sinne der MRL sehr breit gefasst und lautet vereinfacht ausgedrückt:

Eine Maschine ist eine mit einem anderen Antriebssystem als der unmittelbar eingesetzten menschlichen oder tierischen Kraft ausgestattete oder dafür vorgesehene Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen mindestens eines bzw. eine beweglich ist und die für eine bestimmte Anwendung zusammengefügt sind.

Ausgenommen von der MRL sind ausdrücklich elektrische und elektronische Erzeugnisse folgender Arten, soweit sie unter die Niederspannungsrichtlinie fallen:

• für den häuslichen Gebrauch bestimmte Haushaltsgeräte,
• Audio- und Videogeräte,
• informationstechnische Geräte,
• gewöhnliche Büromaschinen,
• Niederspannungsschaltgeräte und -steuergeräte,
• Elektromotoren;

Die Niederspannungsrichtlinie (LVD) dient dem Zweck, sicherzustellen, dass auf dem Markt befindliche elektrische Betriebsmittel den Anforderungen entsprechen, die ein hohes Schutzniveau in Bezug auf die Gesundheit und Sicherheit von Menschen und Haus- und Nutztieren sowie in Bezug auf Güter gewährleisten und gleichzeitig das Funktionieren des Binnenmarkts garantieren.

Das Schutzniveau der Maschinenrichtlinie umfasst die Anforderungen der Niederspannungsrichtline.

Grundsätzlich besteht wohl Konsens darüber, dass ein industrieller 3D Drucker:

• kein Haushaltsgerät ist,
• i.d.R. kein informationstechnisches Gerät ist und
• i.d.R. auch keine gewöhnliche Büromaschine ist.

Somit sollte der Hersteller eines industriellen 3D Druckers die Konformität gegen die Maschinenrichtlinie erklären und nicht nur gegen die Niederspannungsrichtlinie. Da dies so zu lesen ist, als dass der Hersteller den 3D Drucker als gewöhnliche Büromaschine oder als Haushaltsgerät bezeichnet und entsprechend auf den Markt gebracht hat.

Qualität & Komponenten

Die Qualitätsansprüche und daraus resultierend die Auswahl der Komponenten in industriellen 3D Druckern unterscheidet sich maßgeblich von Geräten für den Privatgebrauch. Industrielle 3D Drucken müssen so konstruiert sein, dass diese den zu erwartenden Belastungen standhalten, Wartungs- und Reparaturmaßnahmen durchgeführt werden können und der Hersteller dafür benötigte Anleitungen und Pläne bereitstellt. Ein Schwerpunkt liegt bei 3D Druckern unter anderem auf den verwendeten Antriebsarten. An dieser Stelle möchte ich zu den unterschiedlichen Antriebsarten nur einen kurzen Überblick geben und nicht weiter in die Details eingehen, da dies den Rahmen sprengen würde. Üblicherweise werden folgende Antriebssysteme in 3D Druckern genutzt:

• Schrittmotoren
  • Die Lösung für bekannte Lasten mit einem hohen Haltemoment ohne nacheilen.
• Schrittmotoren mit Positionsregelung
  • Eine hybride Lösung zwischen einem klassischen Schrittmotor und einem Servermotor (i.d.R. einem bürstenlosen Gleich- oder Wechselstrommotor mit Positionsrückführung) kombiniert die Vorteile eines Schrittmotors mit denen eines Servos.
• Servomotoren
  • Die Lösung für dynamische Lasten mit hohen Dynamikanforderungen aber dem Nachteil, dass bei geringen Drehzahlen Drehmomentwelligkeiten auftreten können.

Da im 3D Druck Bereich die Lasten für das Antriebssystem bekannt sind und i.d.R. geringe Dynamikanforderungen herrschen, sind Schrittmotoren eine gute Lösung. Weitere Details finden Sie unter den unten aufgeführten Links.

Ein weiterer wichtiger Aspekt von industriellen 3D Druckern ist deren Gehäuse, oder genauer gesagt die umfängliche Einhausung. Diese dient in erster Linie als Zugriffsschutz in den Druckraum und zugleich auch dafür, den Druckraum gegen äußere Einflüsse weitgehend abzuschotten. Insbesondere schwankende Luftströmungen schlagen sich negativ auf das Druckergebnis nieder und sollten vermieden werden.

Sensoren und Überwachung

Ein industrieller 3D Drucker sollte über eine Reihe von typischen Sensoren und Schutzschaltungen verfügen. Folgende Schutz- und Überwachungseinrichtungen sollten verbaut sein:

• Motorstromüberwachung
  • Sie dient der Erkennung einer Kollision
• Filament Sensor
  • Dieser pausiert den Druck, falls das Filament ausgeht
• Temperaturüberwachung
  • Sie stellt sicher, dass die Heizelemente keinen unsicheren Zustand einnehmen und ein Feuer verursachen.
• Temperatursicherung
  • Sie trennt den elektrischen Schaltkreis und verhindert somit ein Überhitzen.
• Türkontaktschalter
  • Dieser pausieren den Druck, sobald eine Tür zum Druckraum geöffnet wird.
• Kamera
  • Sie ermöglicht die Fernüberwachung des Druckprozesses.

Funktionen

Die zuvor genannten Sensoren in Verbindung mit einer industriellen Maschinensteuerung ermöglichen es einem industriellen 3D Drucker u.a. folgende weitere Funktionen auszuführen:

• Automatische Druckbettausrichtung (ABL)
• Anpassen der Druckparameter während des Drucks mittels G-Code
• Kompensieren eines nichtlinearen Extrusionsverhaltens
• Fortsetzen eines abgebrochenen Drucks, z.B. aufgrund eines Stromausfalles o.ä.

Prozessparameter anpassbar

Ein industrieller Prozess und somit auch ein industrieller 3D Drucker wird über Prozessparameter gesteuert und/oder geregelt. Diese Prozessparameter müssen kontinuierlich überwachbar und anpassbar sein. Dies ermöglicht es z.B. bei einem mehrtätigen Druck die Drucktemperatur oder Kühlung individuell auf die aktuelle Situation anzupassen, ohne den Druck zu verlieren und von neuem starten zu müssen.

Fazit

Ein Hersteller eines industriellen 3D Druckers sollte diesen auch so in der Konformitätserklärung entsprechend als industrielle Maschine ausweisen. Das Gerät muss wartbar und reparierbar sein, dafür benötige Pläne müssen bereitgestellt werden. Die Maschinensteuerung muss eine kontinuierliche Prozessüberwachung und -steuerung ermöglichen und über entsprechende Sensoren und Überwachungseinrichtungen zum sicheren Betrieb der Anlage verfügen.

Weiterführende Links

https://www.kollmorgen.com/de-de/service-and-support/knowledge-center/white-papers/schrittmotor-vs-servomotor-welcher-ist-der-richtige-f%C3%BCr-sie/
https://www.kollmorgen.com/de-de/blogs/_blog-in-motion/articles/hurley-gill/fragen-zu-cogging-und-drehmomentwelligkeit/
https://www.youtube.com/watch?v=1XzD7lGNaek