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Piezoaktoren beweisen Dynamik, Präzision und Zuverlässigkeit

| Autor / Redakteur: Mathias Bach* und Ellen-Christine Reiff** / Marc Platthaus

Abb.1: Ein wichtiges Anwendungsgebiet der additiven Fertigung sind individuell angepasste Implantate und Orthesen. Das medizinische PLA (Polylactid), das sich langsam im Körper abbaut, kann aktuell nur vom Freeformer verarbeitet werden.
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Abb.1: Ein wichtiges Anwendungsgebiet der additiven Fertigung sind individuell angepasste Implantate und Orthesen. Das medizinische PLA (Polylactid), das sich langsam im Körper abbaut, kann aktuell nur vom Freeformer verarbeitet werden. (Bild: Arburg)

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Additive Fertigungsverfahren haben die Prototypen-Nische verlassen und finden ihren Platz in der Produktion. Während bei der Kunststoffverarbeitung Spritz­gießen als Verfahren der Wahl gilt, ist die additive Fertigung prädestiniert für die Fertigung von Kleinserien.

Von additiven Fertigungsverfahren können mittlerweile viele Branchen profitieren, angefangen vom Automotive- und Consumer-Bereich bis hin zur Medizintechnik. Schließlich lassen sich die unterschiedlichsten Funktionsbauteile Schicht für Schicht aus feinsten Kunststofftropfen aufbauen. Bei der Tröpfchenbildung spielen Piezoaktoren als treibende Kraft eine wichtige Rolle.

In der Kunststoffverarbeitung nimmt die Vielfalt an Materialien und Anwendungen kontinuierlich zu. Diesen Trend hat der Maschinenbauspezialist Arburg (vgl. Infokasten) früh erkannt und neben dem klassischen Spritzgießen für diesen wachsenden Markt ein weiteres industrielles Verfahren entwickelt: das Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF) mit dem so genannten Freeformer, das eine große Designfreiheit und Materialvielfalt ermöglicht und mit dem sich Teilegeometrien realisieren lassen, die spritztechnisch nicht formbar wären.

Designfreiheit und Materialvielfalt

Der Freeformer fertigt additiv aus qualifizierten Standardgranulaten funktionsfähige Bauteile einzeln oder in Kleinserie. Standardmäßig ist er mit zwei Austragseinheiten ausgestattet. Damit lassen sich verschiedene Materialien kombinieren, z.B. Hart-Weich-Verbindungen, oder komplexe Geometrien realisieren. Als zweite Komponente kann beispielsweise auch eine spezielle wasserlösliche Stützstruktur verwendet werden. Die Stützstrukturen werden anschließend einfach in einem Wasserbad entfernt. Die kompakte Maschine arbeitet staub- und emissionsfrei. Auf Absauganlagen oder Kühlwasser kann verzichtet werden. Das System ist daher auch für den Einsatz in einer Büroumgebung geeignet. Der Bauraum bietet Platz für Teile, die max. 154 mm x 134 mm x 230 mm groß sind.

Vom Granulat zum Funktionsbauteil

Die prinzipielle Funktionsweise des Freeformers ist einfach zu verstehen. „Zunächst werden die 3D-CAD-Daten des Bauteils mithilfe einer speziellen Software maschinengerecht aufbereitet. Aus den daraus gewonnenen schichtweisen Geometrien werden dann funktionsfähige Bauteile werkzeuglos und ohne Nachbearbeitung aufgebaut“, erläutert Martin Neff, Gruppenleiter Vertrieb und Technologie Kunststoff-Freiformen bei Arburg. „Dazu wird zunächst das Granulat in die Maschine eingefüllt, ein beheizter Plastifizierzylinder mit spezieller Schnecke erzeugt daraus eine homogene Schmelze für die Austragseinheit. Deren patentierter Düsenverschluss mit hochfrequenter Piezotechnik ermöglicht schnelle Öffnungs- und Schließbewegungen und erzeugt so unter einem Massedruck bis zu 500 bar rund 200 Kunststofftropfen pro Sekunde.“

Abhängig von der Düsengröße haben die kleinen Tropfen einen Durchmesser von 0,2 bis 0,4 mm. Während der Piezoaktor den Düsenverschluss taktet, bleibt die Austragseinheit mit der Düse in ihrer vertikalen Position. Der bewegliche Bauteilträger wird über Servomotoren so positioniert, dass jeder Tropfen Schicht für Schicht exakt auf der vorher berechneten Stelle platziert wird. Für das Aushärten des Kunststoffs sind keine speziellen Prozesse oder Materialzusätze erforderlich; die winzigen, ineinander verlaufenden Tropfen verbinden sich beim Auskühlen von selbst. Die dabei entstehende Oberfläche entspricht der eines grob strukturierten Spritzteils. Sie ist zwar tropfenförmig strukturiert, dies aber besonders gleichmäßig und in jeder Richtung. Verlässt ein auf diese Weise additiv gefertigte Bauteil die Maschine, ist es sofort einsatzbereit.

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