Düse eines 3D-Druckers

Prototyp einer Verschlussdüse für 3D-Drucker. (Bild: Fraunhofer IPA/Jonas Fische)

Bisher war es problematisch Schäume mit geringer Dichte bei additiven Produktionsverfahren einzusetzen. Doch nun hat ein Forschungsteam vom Fraunhofer IPA eine Verschlussdüse für 3D-Drucker entwickelt und druckt damit Bauteile von zuvor unerreichter Qualität. Zu sehen gibt es die Düse erstmals Mitte November auf der Formnext.

Für welches Problem die Verschlussdüse die Lösung sein soll

Wer dünnflüssige oder aufschäumbare Kunststoffe mit einer minimalen Dichte von 80 kg/m3 für die additiven Fertigungsverfahren „Fused Layer Modelling“ oder „Fused Filament Fabrication“ nutzen wollte, hatte bisher mit dem Problem zu kämpfen, dass bei Fahrten ohne Materialaustrag ungewollt flüssiges Material aus der Düse floss. So entstanden qualitativ wenig überzeugende Bauteile, die von Hand nachbearbeitet werden mussten. Und es wurde während des Druckprozesses mehr Material verbraucht als eigentlich nötig gewesen wäre.

Ein Forschungsteam vom Zentrum für Additive Produktion (ZAP) am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat nun einen Lösungsansatz vorgestellt. Es entwickelte eine Verschlussdüse, die den Materialfluss an vorgegebenen Stellen automatisch unterbricht: Der Extrudermotor befördert das Filament aus Kunststoff zur Düse, die durch einen Federmechanismus verschlossen ist. Kurz oberhalb der Düse passiert das Filament ein Heizelement. Der Kunststoff schmilzt, wird flüssig und sammelt sich in einem Hohlraum innerhalb der Düse. Ab einem gewissen Innendruck drückt die Schmelze eine Hohlnadel, durch die das Filament zuvor selbst befördert wurde, und somit die Feder nach oben. Die Düse öffnet sich und der Kunststoff fließt aus ihr.

Können auch Hartschaum-Bauteile additiv gefertigt werden?

Gestoppt wird der Materialfluss, indem die Fördereinheit kein Material mehr in Richtung Heizelement befördert. „Der restliche aufgeschmolzene Kunststoff in der Düse wird noch verdruckt. Der Hohlraum entleert sich, der Druck nimmt ab, die Feder schiebt die Hohlnadel wieder nach unten und verschließt so die Öffnung der Düse“, erklärt Jonas Fischer vom ZAP, der maßgeblich an der Entwicklung der zum Patent angemeldeten Verschlussdüse beteiligt war.

Bisher haben die Forschenden ausschließlich Schäume mit sehr geringer Dichte, die das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Karlsruhe zuvor entwickelt hatte, mit ihrer Verschlussdüse verdruckt. Denkbar wäre, dass mit diesen Schäumen in naher Zukunft beispielsweise Unterkonstruktionen für Sitzmöbel, Isolierungen, Verpackungen oder Leichtbaustrukturen additiv gefertigt werden. An sich ist die Verschlussdüse aber auch für dünnflüssige Kunststoffe wie Polyamid geeignet. Erste Testdrucke stehen jedoch noch aus.

Wer war an der Entwicklung beteiligt?

Gut möglich aber, dass die Forschenden im November schon mehr über das Drucken dünnflüssiger Kunststoffe sagen können. Dann nämlich präsentieren sie ein Modell ihrer Verschlussdüse auf der internationalen Fachmesse Formnext in Frankfurt am Main.

Am Forschungsprojekt „Bioxxprint – der Bio-Schaum-Drucker für gradierte Strukturen“ (Förderkennzeichen: 031B0860C), in dem die Verschlussdüse für 3D-Drucker entstanden ist, war neben dem Fraunhofer IPA und dem Fraunhofer ICT noch der Möbelfabrikant Rolf Benz aus Nagold beteiligt. Die Projektkoordination übernahm das Institut für Holztechnologie in Dresden. Das Forschungsprojekt war auf zwei Jahre angelegt und lief im August 2022 aus. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte es mit 250.000 Euro.

Quelle: Fraunhofer IPA

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