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17.04.2019 | Verbindungstechnik | Nachricht | Onlineartikel

Additive Fertigung mit flüssigen Materialien

Autor:
Dr. Hubert Pelc
4 Min. Lesedauer

Additive Fertigungsverfahren, die auf der Extrusion von Flüssigkeiten basieren, stehen noch am Anfang, entwickeln sich jedoch derzeit mit rasanter Geschwindigkeit. Insbesondere die Vielzahl neuer Materialien, die im 3D-Druck eingesetzt werden können, schafft ein großes Anwendungspotential für diese Technologie. 


Die additive Fertigung basiert auf dem schichtweisen Aufbau des Bauteils. Die Fertigungsdauer ist daher von dem aufzutragenden Volumen des Bauteils abhängig, wobei die geometrische Form der einzelnen Schichten nur einen geringen Einfluss hat. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Gestaltungsfreiheit, ohne weitere Zeit und Kosten durch zusätzliche Bearbeitungsschritte, wie zum Beispiel beim Zerspanen, zu verursachen. Insbesondere pulverbasierte und aufschmelzende Verfahren werden nicht nur für die Fertigung von Prototypen, sondern bereits auch für Serienbauteile eingesetzt.
Im Gegensatz dazu stehen die additiven Fertigungsverfahren, die auf der Extrusion von Flüssigkeiten basieren. Dieser Bereich befindet sich zwar noch am Anfang, entwickelt sich jedoch derzeit mit hoher Geschwindigkeit. Insbesondere die Vielzahl an neuen Materialien für den 3D-Druck eröffnet ein großes Anwendungspotential. Dazu gehören zum Beispiel Silicone, Harze oder Metallpasten.
Wie Simon Kasböck, der bei Viscotec  für die Geschäftsentwicklung im Bereich “Additive Manufacturing“ zuständig ist, erläutert stehen für die additive Fertigung von Bauteilen mit flüssigen Materialien im Wesentlichen die drei nachfolgenden Technologien zur Verfügung.

Pneumatisches Dosiergerät

Beim pneumatischen Dosiergerät (Zeit-Druck-Verfahren) befindet sich ein Behälter unter einem definierten Druck. Dabei wird die Flüssigkeit  durch eine auf den Kolben aufgebrachte Druckkraft aus dem Materialausgang herausgepresst. Stellparameter für dieses System ist der aufgebrachte Druck auf die Flüssigkeit. Aufgrund von Temperaturschwankungen oder durch thixotrope Eigenschaften des Fluids kann sich die Viskosität in sehr kurzer Zeit ändern. Durch unterschiedliche Viskositäten ergeben sich bei gleichem Druck unterschiedliche Mengen an ausgebrachtem Fluid. 

Das System zeichnet sich daher nicht durch seine Prozessstabilität aus und besitzt keine hohe Wiederholgenauigkeit. Schwankende Prozessbedingungen erfordern einen täglichen Kalibriervorgang. Zudem ist der im 3D-Druck gewünschte Rückzug von Material mit diesem Verfahren nicht möglich, da lediglich der Druck auf das Fluid abgebaut werden kann, wobei dies nicht zu einer Rückförderung des Materials führt.

Die Umsetzung des Verfahrens ist jedoch sehr kostengünstig, da es sich um ein einfaches System mit wenigen Bauteilen und ohne aufwändige Mechanik handelt. Die erreichbare minimale Schichtdicke ist von der Nadel am Materialausgang abhängig und kann bei idealen Prozessbedingungen >0,2 mm betragen.

Drop-on-Demand

Das Drop-on-Demand-System verwendet zur Ausbringung der Flüssigkeit ein Jet-Ventil. Ähnlich der Technologie eines Tintenstrahldruckers werden damit sehr feine Tröpfchen erzeugt, die auf eine Bauplattform gejettet werden. Zwischen dem Ventil und der Bauplattform befindet sich ein Luftspalt, es gibt somit keine Verbindung zwischen Plattform und Ventil. Stellparameter für die Ausbringung an Material sind die Anzahl der Tröpfchen pro Zeiteinheit und die Größe der Tröpfchen. Die erreichbare Tröpfchenfrequenz beträgt etwa 23 kHz. 

Ein großer Vorteil der Jet-Druckköpfe ist die hohe Auflösung, die an die Größe der Tröpfchen gebunden ist. Damit sind mit niedrigviskosen Materialien minimale Schichtdicken von bis zu 16 µm realisierbar. Es entsteht eine sehr hohe Oberflächengüte, bei der der Treppenstufeneffekt kaum mehr erkennbar ist. Verwendet man Silicon mit einer hohen Viskosität, so beträgt die derzeit kleinstmögliche Auflösung 0,1 mm.

Endloskolben-Prinzip

Die Exzenterschneckenpumpe, auch Endloskolben-Prinzip genannt, zählt zu den rotierenden Verdrängerpumpen. Das System besteht aus einem Rotor, der wie eine Rundgewinde-Schraube mit großer Steigung und großer Gangtiefe aufgebaut ist. Der elastische Stator verfügt über ein zweigängiges Gewinde und die doppelte Steigungslänge wie der Rotor. Durch diese Geometrie ergeben sich abgeschlossene Kammern mit gleich definiertem Volumen zwischen Rotor und Stator, die durch die Bewegung des Rotors vorwärts gefördert werden. Durch die abgeschlossenen Kammern ist die Pumpe selbstdichtend, ein Ventil an Ein- und Auslass ist nicht notwendig. Die Ausbringung an Material ist volumetrisch und direkt proportional zum Drehwinkel des Rotors.

Durch die Kombination von zwei Pumpen können auch Zwei-Komponenten-Materialien verarbeitet werden. Das Mischungsverhältnis ist dabei frei wählbar und kann während des Fertigungsprozesses angepasst werden. Ein weiterer großer Vorteil ist die Vielfalt an Materialien, die mit diesem Prinzip verarbeitet werden kann. Dazu gehören niedrig bis sehr hochviskose Fluide, Flüssigkeiten mit einem hohen Füllstoffgehalt, temperaturempfindliche Materialien und abrasive Fluide. Konkrete Beispiele, die bereits verwendet werden, sind Silicone, Polyurethane, Epoxidharze und Keramiken. Durch die besondere Geometrie von Rotor und Stator ist die Förderung des Fluids pulsationsfrei, was zu einer konstanten Breite der erzeugten Linien und einer gleichmäßigen Außenkontur führt. Aufgrund der volumetrischen Dosierung ist die Anpassung an verschiedene Düsendurchmesser sehr einfach. Der derzeit kleinste Innendurchmesser der Düsen beträgt 0,2 mm. Somit sind Schichtdicken von <0,2 mm erreichbar.

Die hohen Qualitätsanforderungen an die Bauteile der Exzenterschneckenpumpe verursachen im Gegensatz zum Zeit-Druck-System verhältnismäßig hohe Kosten, die sich jedoch unterhalb des Drop-on-Demand-Verfahrens befinden.

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