Dosiertechnik

Flüssige Materialien additiv verarbeiten

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Dosiertechnik | Additive Fertigungsverfahren etablieren sich zunehmend in industriellen Anwendungen. Sollen flüssige Materialien und Pasten verarbeitet werden, gilt es nicht nur das richtige Verfahren zu ermitteln. Auch der passende Dosierkopf spielt eine wichtige Rolle im Herstellungsprozess.

Simon Kasböck,
Viscotec Pumpen- und Dosiertechnik,
Töging a. Inn

Die additive Fertigung basiert auf dem schichtweisen Aufbau des Bauteils und hat sich im industriellen Bereich in vielen Anwendungen durchgesetzt. Insbesondere pulverbasierte und aufschmelzende Verfahren werden beispielsweise für die Fertigung von Prototypen, aber auch für Serienbauteile verwendet. Im Gegensatz dazu stehen additive Fertigungsverfahren, die auf der Extrusion von Flüssigkeiten basieren. Dieser Bereich entwickelt sich mit hoher Geschwindigkeit. Insbesondere die Vielzahl an für den 3D-Druck neuen Materialien schaffen ein großes Anwendungspotenzial für diese Technologie. Dazu gehören beispielsweise Silikon, Harze oder Metallpasten.

Zur additiven Fertigung mit Flüssigkeiten und Pasten kommen aktuell drei Verfahren zur Anwendung: Pneumatisches Dosieren, Drop-On-Demand (Jet-Ventil) und Endloskolben-Prinzip.

Beim Einsatz eines pneumatischen Dosiergerät (Zeit-Druck Verfahren) befindet sich ein Behälter unter einem definierten Druck. Die Flüssigkeit wird 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. Dadurch ergeben sich bei gleichem Druck unterschiedliche Mengen an ausgebrachtem Fluid. Das System zeichnet sich nicht durch seine Prozessstabilität und Wiederholgenauigkeit aus. Die Umsetzung des Systems ist jedoch kostengünstig, da es sich um ein einfaches System mit wenigen Bauteilen handelt. Das Verfahren hat sich im Bioprinting, beispielsweise bei Laborversuchen, etabliert. Dort können mit steriler Spritze einfache Strukturen gedruckt werden.

Für Organ-Modelle mit unterschiedlichen Farben, beispielsweise für die Lehre oder im OP, eignet sich das Drop-On-Demand-System. Dabei wird Flüssigkeit über ein Jet-Ventil ausgebracht. Ähnlich der Technologie eines Tintenstrahldruckers werden sehr feine Tröpfchen erzeugt und auf eine Bauplattform gejettet. Stellparameter für die Ausbringung sind die Anzahl der Tröpfchen pro Zeiteinheit und die Größe der Tröpfchen. Um Tröpfchen zu erzeugen, wird meistens die Bubble-Jet- oder die Piezo-Technologie verwendet. Beim Bubble-Jet-Verfahren wird durch ein Heizelement eine lokale Dampfblase erzeugt, die durch ihre volumetrische Größenänderung Material verdrängt und einen Tropfen ausbringt. Bei den Piezo-Ventilen wird durch den inversen Piezoeffekt ein Zylinder bewegt, der einen Tropfen ausstößt.

Poly-Jet-Verfahren ermöglicht Schichtdicken von bis zu 16 µm

Ein weiteres Drop-On-Demand-System ist das Poly-Jet-Verfahren. Dabei wird das Bauteil aus dem Polymer aufgebaut, das direkt auf das Druckbett gejettet wird. Jede aufgebrachte Schicht muss mit UV-Licht ausgehärtet werden. Ein kürzlich entwickeltes Verfahren ermöglicht die Fertigung von Bauteilen aus Silikon mit dem Drop-On-Demand-Prinzip.

Ein 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. Nachteil der Systeme: Das Fluid muss exakt auf das System eingestellt sein, damit die Tröpfchen-Ausbringung wie gewünscht funktioniert. Das bedeutet, dass statt Standard-Materialien spezielle Fluide verarbeitet werden müssen.

Die Exzenterschneckenpumpe, auch Endloskolben-Prinzip genannt, zählt zu den rotierenden Verdrängerpumpen. Das System besteht aus einem Rotor und einem Stator. Durch ihre Geometrie ergeben sich abgeschlossene Kammern mit gleich definiertem Volumen zwischen Rotor und Stator, die durch die Bewegung des Rotors vorwärts gefördert werden. Durch die Kombination von zwei Pumpen können auch Zwei-Komponenten-Materialien verarbeitet werden. Beide Materialien werden mit je einer Pumpe in einen statischen Mischer gefördert und darin vermengt. Zur Anwendung kommt das Endloskolben-Prinzip für Hart-weiche Kombination in der Orthetik, Prothetik, für Bissschienen oder Brustimplantate.

Ein wesentlicher Punkt bei der additiven Fertigung ist der Materialrückzug. Dabei wird die Drehrichtung der Schnecke umgekehrt und Material in die Pumpe zurück gefördert. Damit wird ein definierter Fadenabriss erzeugt und ungewolltes Nachtropfen von Material verhindert. Ein weiterer Vorteil ist die Vielfalt an Materialien, die mit diesem Prinzip verarbeitet werden können. Dazu gehören niedrig bis sehr hochviskose Fluide, Flüssigkeiten mit einem hohen Füllstoffgehalt, temperaturempfindliche Materialien und abrasive Fluide. Verwendet werden beispielsweise Silikone, Polyurethane, Epoxidharze und Keramiken. Aufgrund der volumetrischen Dosierung ist die Anpassung an verschiedene Düsendurchmesser sehr einfach. Derzeit sind Schichtdicken von 0,2 mm erreichbar.

www.viscotec.de

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