Neuartiger Druckkopf macht 3D-Druck effizienter

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Forschungsteam der TH Nürnberg meldet einen Durchbruch in der Additiven Fertigung: Ihr innovativer Druckkopf macht variable Bahnbreiten möglich.

Der neuartige Druckkopf der TH Nürnberg räumt mit einem großen Nachteil der bisherigen Systeme auf. Denn trotz stetiger Weiterentwicklungen ist es bisher nicht möglich, innerhalb eines gedruckten Bauteils unterschiedlich breite Kunststoffbahnen aufzubringen.

Prof. Dr.-Ing. Michael Koch von der Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik der TH Nürnberg entwickelt deshalb im aktuellen Forschungsprojekt „IvExAP“ einen innovativen Druckkopf, der variable Bahnbreiten möglich und dadurch den 3D-Druck deutlich schneller und effizienter macht.

Unterschiedlich breite Kunststoffbahnen in einem Prozessschritt drucken

Die Bedeutung der additiven Fertigung in der industriellen Produktion steigt mit den möglichen Funktionen des 3D-Druckers. Prof. Dr.-Ing. Michael Koch ist hier ein Durchbruch gelungen: Dank neuartigem Druckkopf kann der 3D-Drucker der TH Nürnberg unterschiedlich breite Kunststoffbahnen in einem Prozessschritt drucken – das war bisher nicht möglich.

Der Wissenschaftler hat dazu eine Methode entwickelt, um mit einem 3D-Drucker variable Bahnen aufzubringen. 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.

Die gängigste Methode der additiven Fertigung ist die sogenannte „Schmelzschichtung“. Bei diesem Verfahren baut der Drucker das Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff auf. Der Druckkopf erhitzt den Kunststoff und trägt ihn in mehreren übereinander liegenden Bahnen auf das Werkstück auf. Die Schichten verbinden sich miteinander und das Material härtet danach sofort aus.

Feine Düsen mit einer Düsenbohrung von 0,1 bis 0,4 mm können kleinste Details darstellen, benötigen dafür allerdings eine längere Druckzeit. Grobe Düsen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 2 mm arbeiten zwar mit einer höheren Druckgeschwindigkeit, durch die größere Schichtdicke gehen allerdings die Details verloren.

Widerspruch zwischen Auflösung und Druckgeschwindigkeit gelöst

„Den Widerspruch zwischen Auflösung und Druckgeschwindigkeit kann die Industrie theoretisch durch eine Düse lösen, die einen unterschiedlich dicken Kunststofffaden extrudieren kann“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Michael Koch. „Das ist technisch allerdings nicht so einfach, deshalb forsche ich mit meinem Team an einer neuen Möglichkeit, einen Kunststofffaden oder -strang mit unterschiedlichen Durchmessern im Bereich von 0,2 bis hin zu einem Millimeter zu erzeugen.“

Durch Drehen einer ovalen oder rechteckigen Düse lässt sich mit dem neuartigen Druckkopf die Breite des aufgetragenen Kunststoffmaterials verändern. Foto: TH Nürnberg

Bislang haben die 3D-Drucker nur eine runde Düsenbohrung. In ihrem Projekt entwickeln Prof. Dr.-Ing. Michael 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, ist es erforderlich, dass der komplette Extruder oder zumindest die Düse drehbar ist. 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. Dr.-Ing. Michael Koch.

Bisherige Lösungsansätze der Industrie brachten nach Erfahrung von Prof. Koch 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.

Neuer Druckkopf macht 3D-Druck deutlich effizienter und schneller

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

Die Vorteile haben auch die Staedtler Stiftung überzeugt, die dieses Forschungsprojekt mit 40.000 Euro fördert.

gk

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