Additive Fertigung mit flüssigen Materialien

Additive Fertigungsverfahren etablieren sich zunehmend in industriellen Anwendungen, da sie gegenüber konventionellen Prozessen einige wesentliche Kundennutzen mit sich bringen. Die additive Fertigung basiert auf dem schichtweisen Aufbau des Bauteils. Die Fertigungsdauer ist daher von dem aufzutragenden Volumen des Bauteils abhängig. Die geometrische Form der einzelnen Schichten hat nur einen geringen Einfluss. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Gestaltungsfreiheit, ohne weitere Zeit und Kosten durch zusätzliche Bearbeitungsschritte, wie bspw. beim Zerspanen, zu verursachen. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für die Herstellung von geometrisch komplexen Bauteilen, wie beispielsweise bionischen Strukturen. Der Prozess von der CAD-Datei zum fertigen Bauteil ist größtenteils automatisiert. Auf diese Weise können erste Modelle von Bauteilen in kurzer Zeit und zudem kostengünstig gefertigt werden. Diese und viele weitere Vorteile haben dazu geführt, dass sich die additive Fertigung im industriellen Bereich in vielen Anwendungen durchgesetzt hat. Insbesondere pulverbasierte (wie das selektive Lasersintern) und aufschmelzende Verfahren (wie das Fused Layer Modeling) werden beispielsweise für die Fertigung von Prototypen aber auch bereits für Serienbauteile verwendet.

Im Gegensatz dazu stehen die additiven Fertigungsverfahren, die auf der Extrusion von Flüssigkeiten basieren. Dieser Bereich befindet sich noch am Anfang, entwickelt sich jedoch derzeit mit hoher Geschwindigkeit. Insbesondere die Vielzahl an für den 3D-Druck neuen Materialien schaffen ein großes Anwendungspotential für diese Technologie. Dazu gehören z.B. Silikon (siehe Abbildung 1), Harze oder Metallpasten.

Dieses Whitepaper betrachtet die vorhandenen Technologien für die additive Fertigung von Bauteilen aus flüssigen Medien. Dabei werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren dargestellt. Zudem werden die unterschiedlichen Stellparameter für jedes Verfahren zum Verändern der ausgebrachten Menge aufgezeigt.

Verfahren zur additiven Fertigung mit Flüssigkeiten und Pasten:

• Pneumatisches Dosiergerät
• Drop-On-Demand (Jet-Ventil)
• Endloskolben-Prinzip

Drop-On-Demand (Jet-Ventil)

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 (berührungslos). Stellparameter für die Ausbringung an Material sind die Anzahl der Tröpfchen pro Zeiteinheit und die Größe der Tröpfchen.

Für die Erzeugung der Tröpfchen wird meistens die „BubbleJet“- oder die „Piezo“-Technologie verwendet. Beim BubbleJet Verfahren wird durch ein Heizelement eine lokale Dampfblase erzeugt, die durch ihre volumetrische Größenänderung Material verdrängt und somit einen Tropfen ausbringt.
Bei den Piezo-Ventilen wird durch den inversen Piezoeffekt ein Zylinder bewegt, der einen Tropfen ausstoßt, wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Die erreichbare Tröpfchenfrequenz beträgt etwa 23 kHz.

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 besitzt ein zweigängiges Gewinde und die doppelte Steigungslänge als 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. Beide Materialien werden mit je einer Pumpe in einen statischen Mischer gefördert und darin vermengt. Das Mischungsverhältnis ist dabei frei wählbar und kann während des Fertigungsprozesses angepasst werden.

Aufgrund des Aufbaus von Stator und Rotor ergibt sich im Gegensatz zu den anderen Druckköpfen eine verhältnismäßig lange Bauform. Die hohen Qualitätsanforderungen an die Bauteile der Exzenterschneckenpumpe verursachen im Gegensatz zum Zeit-Druck-System verhältnismäßig hohe Kosten, die sich jedoch unterhalb eines Drop-On-Demand-Systems befinden.

Durch die Förderung des Fluids in den Kammern werden sehr geringe Scherkräfte erzeugt, weshalb das System auch für scherempflindliche Medien geeignet ist. Ein wesentlicher Punkt bei der additiven Fertigung ist der Materialrückzug („Retract“). Dabei wird die Drehrichtung der Schnecke umgekehrt und Material in die Pumpe zurück gefördert. Damit wird, ein definierter Fadenabriß erzeugt. Ungewolltes Nachtropfen von Material wird verhindert.

Ein weiterer großer 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. Konkrete Beispiele, die bereits verwendet werden sind Silikone, 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.

Zusammenfassung

Abschließend ist zu sagen, dass sich die verschiedenen Verfahren zum additiven Fertigen mit Flüssigkeiten alle durch unterschiedliche Vor- und Nachteile auszeichnen. Es ist von den geforderten Eigenschaften des Bauteils abhängig, welches der Verfahren am geeignetsten ist.

▪ Für das Aufbringen von Flüssigkeiten auf das Druckbett mit geringen Viskositäten und geringeren Anspruch an die Bauteilqualität kann ein Zeit-Druck-System die effizienteste Lösung sein.

▪ Für einen hohen Detailgrad sind Drop-On-Demand-Systeme sehr geeignet.

▪ Der Vorteil der Exzenterschneckenpumpe ist die sehr hohe Dosiergenauigkeit, die Verarbeitung von 2K-Materialien und die sehr große Bandbreite an prozzesierbaren Fluiden.