Verschlussdüse für 3D-Drucker entwickelt

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. Die Düse wird erstmals auf der Formnext 2022 gezeigt.

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Prototyp einer Verschlussdüse für 3D-Drucker. (Bildnachweis: Fraunhofer IPA / Foto: Jonas Fischer)

Wer dünnflüssige oder aufschäumbare Kunststoffe mit einer minimalen Dichte von
80kg/m3 für die additiven Fertigungsverfahren »Fused Layer Modelling« oder »Fused
Filament Fabrication« nutzen wollte, hatte bisher mit einem ärgerlichen Problem zu kämpfen: Bei Fahrten ohne Materialaustrag floss dennoch ungewollt flüssiges Material aus der Düse. 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.

Hartschaum-Bauteile könnten künftig 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 Forscherinnen und Forscher 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.

Verschlussdüse wird auf der Formnext gezeigt

Gut möglich aber, dass die Forscherinnen und Forscher im kommenden 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.

Das Fraunhofer IPA auf der Formnext 2022 in Halle 11.0, Stand D51

Kontakt:

www.ipa.fraunhofer.de