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Mehrfachextrusion

Vorteile beim 3D-Druck mit mehreren Düsen

| Autor/ Redakteur: Matthias Katschnig / Simone Käfer

Multiextrusion wird der 3D-Druck mit mehreren Düsen auch genannt. Er ermöglicht eine einstufige Fertigung von Werkstoffhybriden, die unterschiedliche Funktionen in einem Produkt vereinen.

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Fans der serie Game of Thrones werden in diesem Dualfarbendruck vielleicht die Burg „Winterfell“ erkennen.
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( Bild: Hage 3d // Vorlage damm301 (thingiverse.com) )
  • Ein kompakter Prozess, Materialoffenheit, hohe Druckvolumina und Potenzial zur Mehrfachextrusion sind die Vorteile der Werkstoffextrusion.
  • Bei zwei Düsen sind das Drucken mit zwei Farben oder mit Stützstrukturen sowie die Verbindung zweier Materialien möglich.
  • Die technischen Anforderungen liegen vor allem in der präzisen räumlichen Trennung von aktiven und inaktiven Werkstoffdüsen und in einer geringen Ansteuerhysterese des Druckkopfes.

Ein kompakter Prozess, Materialoffenheit, hohe Druckvolumina und Potenzial zur Mehrfachextrusion sind die Vorteile der Werkstoffextrusion. Das Verfahren ist eine Teildisziplin der Additiven Fertigung, bei der Granulate oder Filamente verarbeitet werden. Wenn die Verarbeitung auf Filamenten basiert, wird die Technik auch FFF (Fused Filament Fabrication), FDM (Fused Deposition Modeling) oder FLM (Fused Layer Modeling, Begriff nach VDI 3405) genannt. Der Werkstoff wird bei der Heißextrusion im Schmelzezustand, bei der Kaltextrusion im pastösen Zustand durch eine Düse gefördert und strangweise abgelegt. Die Bezeichnung „Werkstoffextrusion“ ist in Anlehnung an den Begriff „material extrusion“ gewählt und die Technik, mit der die Maschinen von Hage3D arbeiten.

Die Möglichkeit zur sequenziellen Mehrfachextrusion während eines Druckjobs (einstufige Fertigung) ist die Grundvoraussetzung für die Herstellung von Werkstoffhybriden. Diese können unterschiedliche Funktionen in einem Bauteil vereinen.

Nicht nur Dekoration: der Dualfarbendruck

Die einfachste Anwendung eines Multimaterialdruckes ist der Dualfarbendruck, bei dem der Werkstoff Polylactide (PLA) unterschiedlich eingefärbt ist. Die Verwendung zweier Farben kann einen dekorativen Zweck verfolgen, aber auch der besseren Lesbarkeit einer Bauteilbeschriftung oder der Trennung funktionaler Bereiche im Bauteil dienen.

Drucken mit Stützstrukturen

Stützstrukturen (Supports) verhindern, dass Bauteile im Bauraum absinken, und ermöglichen erst den FFF-Druck mit einem Überhang > 45° zur Druckbettebene. Ohne Support würde man „ins Freie“ drucken, das Material hätte keine Substratbasis zur Ablage. Das Stützmaterial kann entweder durch Krafteinwirkung (break away), mechanisch oder per Hand, oder durch das (chemische) Auflösen des Supports entfernt werden. Derzeit bieten kommerzielle Filamenthersteller auf ihre Produkte abgestimmte Stützfilamente an.

Bei einer mechanischen Entfernung kann das Stützmaterial identisch mit dem Baumaterial sein, also durch eine Monoextrusion gebaut werden. Verringert man die Anbindungsfläche, zum Beispiel durch Anbindungskegel, erleichtert das die Entfernung ebenso wie eine Distanz zum Bauteil im Zehntelmillimeter-Bereich. Beim Entfernen durch Auflösen des Support-Materials werden spezielle wasserlösliche Kunststoffe, vor allem Polyvinylalkohol (PVA), oder kohlenwasserstofflösliche Kunststoffe wie High-Impact-Polystyrol (HIPS) in Verbindung mit einer Dual-Extrusion verwendet. Der große Vorteil bei wasserlöslichen Stützstrukturen ist, dass sich die Supports auch an schwer zugänglichen Geometrien leicht entfernen lassen. Dadurch sind sehr komplexe Geometrien druckbar, die mit Break-away-Support nicht möglich wären.

Zwei Materialien in einem Druck: der Hybriddruck

Die Werkstoffextrusion ermöglicht die Verbindung unterschiedlicher Materialien in einem Bauteil mit nur einem Fertigungsschritt. So können beispielsweise Zahnräder mit abrasionsfestem Polyamid (PA) als Außenhülle und einem zähen Kern aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) hergestellt werden. Oder ein bruchsicheres Schädelimplantat mit bioaktiver Wirkung. Die Außenkontur besteht aus thermoplastischem Elastomer und der Implantatkern aus einer thermoplastischen Hartkomponente. So können Risikopatienten, die Implantat-Allergien entwickeln oder erhöhte Schlagbelastungen im Kopfbereich befürchten müssen, mit personalisierten Knochensubstituten versorgt werden.

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Multiextrusion – Problemstellung an die Düse

Die technischen Anforderungen für eine erfolgreiche Multiextrusion liegen vor allem in der präzisen räumlichen Trennung von aktiven und inaktiven Werkstoffdüsen und in der geringen Ansteuerhysterese des Druckkopfes selbst. Die Machinen benötigen hierzu einen großen Freihub der inaktiven Elemente, es werden so Werkstoffübersprünge vermieden. Die Druckköpfe selbst verfügen über kurze Aufschmelzzonen, die eine sehr kleine Plastifizierzone besitzen. So wird sichergestellt, dass bei einer inaktiven Düse ein wirksamer Unterdruck erzeugt wird, der die Schmelze einzieht und so ein Nachfließen verhindert. Das unterstützt einen raschen Werkstoffwechsel.

Wird jedoch eine Plastifizierleistung über 80g/h verlangt, zum Beispiel für den Großdruck mit Monoextrusion, kann rasch auf lange Hochleistungs-Aufschmelzzonen umgerüstet werden. Alle Plastifizierzonen sind durch Wasserkühlung thermisch entkoppelt, um einen scharfen thermischen Übergang zu gewährleisten und die Druckköpfe sauber ansteuerbar zu halten.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt erschienen

* Matthias Katschnig ist F&E-Leiter von Hage3D in 8020 Graz (Österreich), Tel. (00 43-6 64) 8 34 93 94

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EOS; Hermle; © Simone Käfer; Alain Reiser/ETH Zürich; Deutsche Bahn AG / Martin Busbach; Hackrod; Materialise/Cadera Design; Siemens PLM Software; mesago; Hage3D; Katschnig M.; Hage 3d // Vorlage damm301 (thingiverse.com); ©Maksim Shebeko - stock.adobe.com; unsplash.com; Fraunhofer ILT; Ansys; unsplash; gemeinfrei; Formlabs; Ampower; pixabay.com