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3D-Druck Neuer 3D-Druckkopf ermöglicht variable Bahnbreiten

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Durchbruch in der additiven Fertigung: Ein Forschungsteam der TH Nürnberg haben einen neuartigen Druckkopf entwickelt, der variable Bahnbreiten ermöglicht und den 3D-Druck schneller macht.

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Prof. Dr.-Ing. Michael Koch von der TH Nürnberg entwickelt einen innovativen Druckkopf, der variable Bahnbreiten ermöglicht und dadurch den 3D-Druck deutlich schneller und effizienter macht.
Prof. Dr.-Ing. Michael Koch von der TH Nürnberg entwickelt einen innovativen Druckkopf, der variable Bahnbreiten ermöglicht und dadurch den 3D-Druck deutlich schneller und effizienter macht.
(Bild: TH Nürnberg)

Die Bedeutung der additiven Fertigung in der industriellen Produktion steigt mit den möglichen Funktionen des 3D-Druckers. Trotz stetiger Weiterentwicklungen ist es bisher allerdings nicht möglich, innerhalb eines gedruckten Bauteils unterschiedlich breite Kunststoffbahnen aufzubringen. Bisherige Lösungsansätze der Industrie brachten keinen durchschlagenden Erfolg.

Austauschbare Düsen am Extruder sind zeitaufwändig, zudem muss der 3D-Drucker nach jedem Düsenwechsel neu kalibriert werden. Bei Druckern mit mehreren Düsen kommt es zu ungewünschtem Tropfen und Verschmieren des Materials. Alle bisherigen Versuche, einen 3D-Drucker mit unterschiedlichen Düsendurchmessern zu entwickeln, stellten sich als relativ kompliziert und teuer heraus.

Prof. Dr.-Ing. Michael Koch von der Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik der TH Nürnberg ist hier ein Durchbruch gelungen: Er ermöglicht es, unterschiedlich breite Kunststoffbahnen in einem Prozessschritt zu drucken. In seinem Forschungsprojekt „Innovatives Extruderkonzept für schnelle und effiziente Additive Produktion“, kurz „IvExAP“, entwickelt er im Institut für Chemie, Material- und Produktentwicklung der TH Nürnberg einen einsetzbaren Prototyp eines Druckkopfs für die additive Fertigung.

Seminartipp

Das Seminar 3D-Druck in der direkten digitalen Fertigung vermittelt die Technik, Eignung und Voraussetzung des 3D-Drucks und gibt den Teilnehmern einen Überblick über die Entwicklungen, Möglichkeiten und Grenzen.

Auflösung vs. Druckgeschwindigkeit

Bei der Schmelzschichtung, die gängigste Methode der additiven Fertigung, baut der Drucker das Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff auf. Der Druckkopf, ein sogenannter Extruder, erhitzt den Kunststoff und trägt ihn in rechtwinkligen Bahnen auf das Werkstück auf. Die Schichten verbinden sich miteinander und das Material härtet danach sofort aus.

Dabei stellen feine Düsen mit einer Düsenbohrung von 0,1 bis 0,4 mm kleinste Details dar. Dafür benötigen sie allerdings eine längere Druckzeit. Grobe Düsen mit einem Durchmesser von 0,5 bis hin zu 2 mm arbeiten zwar mit einer höheren Druckgeschwindigkeit, durch die größere Schichtdicke gehen allerdings die Details verloren. Dabei könne die Industrie diesen Widerspruch zwischen Auflösung und Druckgeschwindigkeit theoretisch durch eine Düse lösen, die einen unterschiedlich dicken Kunststofffaden extrudieren kann. „Das ist technisch allerdings nicht so einfach, deshalb forsche ich mit meinem Team an einer neuen Möglichkeit, einen Kunststofffaden bzw. -strang mit unterschiedlichen Durchmessern im Bereich von 0,2 bis hin zu 1 mm zu erzeugen“, erklärt Prof. Michael Koch.

Ovale und rechteckige Düsenöffnung

Bislang haben die 3D-Drucker nur eine runde Düsenbohrung. In ihrem Projekt entwickeln Prof. Koch und sein Team eine ovale und eine rechteckige Düsenöffnung. Dieses sogenannte Langloch ist einfach aufzubauen und funktioniert mit den vorhandenen Standard-Extrudern – dadurch arbeitet es auch im täglichen Einsatz stabil. Um die verschiedenen Düsenöffnungen in alle Richtungen verwenden zu können, sollte der komplette Extruder oder zumindest die Düse drehbar sein.

Je nach Winkelstellung wird dann mit der schmalen Seite, der breiten Seite oder einer Zwischenposition gedruckt. „Dadurch erhalten wir unterschiedlich dicke Kunststoffbahnen bei einer konstanten Druckgeschwindigkeit. Wir können sowohl große Flächen als auch kleine Details innerhalb eines Arbeitsschrittes drucken, ohne den Drucker zu stoppen“, so Prof. Koch.

Die Weiterentwicklung des Extruders durch das Forschungsteam macht das 3D-Druck-Verfahren deutlich effizienter und schneller. Die geringen Kosten sollen es auch kleinen und mittleren Unternehmen ermöglichen, die zukunftsweisende Technik der additiven Fertigung einzusetzen.

Buchtipp

Das Buch Additive Fertigung beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie. Das Buch richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

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