3D Silikon Druck
Was mit Kunststoff geht, muss doch auch mit Silikon gehen – oder?
In Zusammenarbeit mit einem unserer Kunden entwickelten wir in den Jahren 2014 bis 2016 einen Fertigungsprozess und die dazugehörigen Anlagen, welche den Silikon 3D Druck erstmals ermöglichten. Erfahren Sie in unserer Success Story mehr über die Herausforderungen, Herangehensweisen, Ergebnisse und die Entwicklung des Fertigungsprozesses und der Silikon 3D Drucker.
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Ausgangslage und Herausforderungen
Wir reisen zurück in die Jahre 2012 bis 2014:
innovative 3D Druck Technologien und Anlagen
übernehmen die Schlagzeilen in Fachmagazinen
und reihen sich auf Messen aneinander.
Einer der größten Silikonhersteller der Welt stand zu
diesem Zeitpunkt vor einer entscheidenden Frage:
Was mit Kunststoff geht, muss doch auch mit Silikon
gehen – oder?
Die
Entwicklungen schreiten schnell voran und
neben Harz können Kunststoffe, Metalle, Keramik
und viele weitere Materialien in verschiedenen
Formen und Größen bereits gedruckt werden.
Ein vielversprechender und schon länger
bewährter Fertigungsprozess erlangt nun einen
absoluten Hype.
Die Ausgangslage war durchaus
anspruchsvoll. Als besondere
Herausforderung zeigte sich die zugrunde
liegende Beschaffenheit des Werkstoffs.
Silikon, ein zähflüssiges Material, besitzt
prinzipbedingt keine konstanten
Eigenschaften in Bezug auf Viskosität und
Thixotropie. Bisherige Versuche und
Experimente im Labor, hinsichtlich des
Druckens von Silikon, steckten noch in
den Kinderschuhen. Bereits von Charge zu
Charge unterscheiden sich beim Silikon
die Eigenschaften deutlich. Zudem sei
erwähnt, dass Silikon sich auch während
des Alterungsprozesses verändert. Des
Weiteren fehlte es an
Standardkomponenten für einen Silikon
3D Drucker.
Bis dato war immerhin bekannt, dass es in diesem Bereich keinen bestehenden Wettbewerb auf dem Markt gab – noch nicht. Das heißt, es gab niemanden der 100% Silikon 3D drucken konnte, sodass das Ergebnis am Ende auch nur ansatzweise einem spritzgegossenen Silikonteil gleichgekommen wäre. Weitere Experimente im Labor unseres Kunden zeigten nach und nach, dass Silikon sich mit Jettingdüsen in Form von Tröpfchen übereinander platzieren lässt. Diese Erkenntnisse führten zur Überzeugung eine Entwicklung des Silikon 3D Drucks bzw. des Fertigungsprozesses und der Anlagen anzustreben.
Bis dato war immerhin bekannt, dass es in diesem Bereich keinen bestehenden Wettbewerb auf dem Markt gab – noch nicht. Das heißt, es gab niemanden der 100% Silikon 3D drucken konnte, sodass das Ergebnis am Ende auch nur ansatzweise einem spritzgegossenen Silikonteil gleichgekommen wäre. Weitere Experimente im Labor unseres Kunden zeigten nach und nach, dass Silikon sich mit Jettingdüsen in Form von Tröpfchen übereinander platzieren lässt. Diese Erkenntnisse führten zur Überzeugung eine Entwicklung des Silikon 3D Drucks bzw. des Fertigungsprozesses und der Anlagen anzustreben.
Unser Benefit für Kunden:
Geheimhaltung und Patentrechtseigentum
Auf der Suche nach einem dafür geeigneten Entwicklungsdienstleister stieß unser Kunde auf die enders GmbH. Die Erwartungen des Unternehmens waren zum einen, dass der Partner bereits Erfahrung in der Entwicklung von Fertigungsprozessen und Anlagen haben sollte. Zum anderen wünschte man sich einen Lieferanten, welcher die Neuentwicklung und die anschließende Weiterentwicklung übernehmen kann und zudem ganzheitliche Entwicklungen von der Mechanik, der Elektrik und Elektronik sowie der Software abbilden kann. Ganz nach dem Motto: alles aus einer Hand. Auch mit den für unseren Kunden wichtigsten Entscheidungskriterien konnten wir überzeugen: Geheimhaltung und Patentrechtseigentum. Die Erwartungen ließen sich daher prima mit dem bestehenden Geschäftsmodell der enders GmbH vereinbaren.
Visionen nehmen Gestalt an
Im Wesentlichen bestand die Entwicklung aus zwei Projekten. Im Vorfeld ging es darum in Form einer Machbarkeitsstudie die Realisierbarkeit des Silikon 3D Drucks zu beweisen. Nachfolgend wurde an der Entwicklung des Druckprozesses und den finalen Anlagen gearbeitet. Mit den Voruntersuchungen durch unseren Kunden startete das Projekt mit unter anderem folgenden Fragestellungen:
- Wie kann das Silikon vernetzt werden, so dass es fest wird?
- Wie wird aus einzelnen Tröpfchen ein Silikon 3D Druck Bauteil?
- Wie kann das Material hinsichtlich der Tröpfchengröße und -form sinnvoll dosiert werden?
- Wie können Hinterschnitte erzeugt werden?
Ziel: ein Silikon 3D Druck Bauteil, welches die gleichen Eigenschaften wie spritzgegossenes Silikon besitzt.
Der Weg zum Prototyp
In enger Zusammenarbeit haben wir gemeinsam mit den Materialspezialisten unseres Kunden Schritt für Schritt eine revolutionäre 3D Druck Technologie entwickelt. Durch einen mehrstufigen iterativen Entwicklungsprozess war es möglich, im Projekt flexibel zu bleiben und Risiken stetig bewerten und minimieren zu können. Nach einem Jahr intensiver Prozessentwicklung konnte 2015 bereits ein erster funktionsfähiger Prototyp realisiert werden. Einfache geometrische Formen wie beispielsweise ein Würfel konnten bereits in 3D gedruckt werden. Der Prototyp basierte noch auf gekauften Komponenten und wurde per GCode gesteuert. Schnell wurde jedoch klar, dass ein übliches Verfahren wie bei herkömmlichen Druckern an dieser Stelle nicht ausreicht. Eine sehr präzise Platzierung der „Voxel“ war für den Silikon 3D Druck notwendig. Am Markt bestehende Lösungen erwiesen sich als unzureichend. Ebenso waren verfügbare 3D-Slicer- Softwares nicht für einen solchen Druck geeignet.
Schritt für Schritt zur serienfertigen Anlage
Mit gekauften Komponenten war es nicht möglich das Dosiersystem direkt in Abhängigkeit von den Achspositionen anzusteuern. Eine neue Lösung musste her. Man entschied sich dazu, die Elektronik selbst zu entwickeln und nicht auf Standardkomponenten zurückzugreifen. Darüber hinaus wurde eine eigene 3D-Slicer-Software entwickelt, welche die Daten für den Drucker entsprechend aufbereitet und zur Verfügung stellt. Im Jetting- Verfahren erfolgte die Auftragung des Silikons Schicht für Schicht, welches durch ein UV-Licht vernetzt und ausgehärtet wurde.
Schritt für Schritt zur serienfertigen Anlage
Mit gekauften Komponenten war es nicht möglich das Dosiersystem direkt in Abhängigkeit von den Achspositionen anzusteuern. Eine neue Lösung musste her. Man entschied sich dazu, die Elektronik selbst zu entwickeln und nicht auf Standardkomponenten zurückzugreifen. Darüber hinaus wurde eine eigene 3D-Slicer-Software entwickelt, welche die Daten für den Drucker entsprechend aufbereitet und zur Verfügung stellt. Im Jetting- Verfahren erfolgte die Auftragung des Silikons Schicht für Schicht, welches durch ein UV-Licht vernetzt und ausgehärtet wurde.
Erste erfolgreiche Kundenaufträge
Auf Basis der bisherigen Erkenntnisse und Entwicklungen aus dem Prototypenbau wurden die ersten beiden, im Vergleich zum Prototyp deutlich kompakteren, Silikon 3D Drucker gebaut, mit denen der Konzernbereits erste Kundenaufträge umsetzen konnte. Um den Silikon 3D Druck so effizient wie möglich zu gestalten, wurden weitere Optimierungen vorgenommen. Da kaufbare Achssteuerungen nicht zuverlässig und schnell genug waren, entschied man sich zur eigenen Entwicklung eines 3-Achs-Systems mit verfahrbaren Jettingdüsen. Dies ermöglichte die präzise Platzierung der Silikontropfen neben- und aufeinander. Für die Freiräume des Bauteils wurde zusätzlich Stützmaterial gedruckt, sodass nun auch Hinterschnitte in den Bauteilen möglich waren.
Schnellere Produktion und bessere Qualität dank eigener Entwicklungen
Erfolgreiche Eigenentwicklungen und Optimierungen am Prozess führten zum Aufbau von fünf Vorserien-Anlagen . Damit konnte nun ein 3-Schicht-Betrieb zur Produktion von Silikon 3D Druck Bauteilen beim Kunden eingeführt werden. Kontinuierliche Weiterentwicklungen konnten die Schnelligkeit des Druckprozesses nochmals deutlich verbessern . Die Integration und Nachrüstung eines optischen Messsystems ermöglichte den 3D Druck von komplexen Bauteilen, verbesserte die grundsätzliche Bauteilqualität und unterstützte den gleichzeitigen Druck von mehreren Materialien.
Ausgangslage und Herausforderungen
- Machbarkeitsstudie und Konzeptentwicklung
- Entwicklung des Fertigungsprozesses
- Prototypenbau einer ersten Anlage
- Entwicklung der Elektronik und einer 3D-Slicer Software
- Bau von fünf Vorserien-Anlagen
Die Schwerpunkte während der Entwicklung lagen auf der Materialzuführung, einschließlich der Beheizung und Kühlung, sowie der Online-Prozessüberwachung mit automatischer Korrektur bei Fehlstellen oder Abweichungen von den Soll-Maßen.
Technische Details für Neugierige
Ingenieurskunst im Code: die Silikon 3D Druck Softwareentwicklung
Die für den Silikon 3D Druck eigens entwickelte Software besteht aus zwei Teilen. Zum einen aus der Steuerungssoftware, die den Slicer und mehrere Firmwarekomponenten auf den von uns entwickelten Elektroniken enthält. Zum anderen die Firmware, welche auf Arm Cortex M4-Prozessoren läuft und in C entwickelt wurde. Die Steuerungssoftware läuft auf einem Industrie-PC unter Linux und wurde in C++ mit Qt entwickelt. Um die Druckqualität sicherstellen zu können, arbeiten die Drucker in einem Closed Loop-Verfahren. Das heißt: es wird immer eine Schicht gedruckt, optisch vermessen wonach dann die nächste Schicht vom Slicer berechnet wird. Damit der Slicer schnell genug ist, wurden dabei Teile der Berechnung als Vulkan Shader auf die Grafikkarte ausgelagert. So können Materialänderungen während des Druckvorgangs ausgeglichen werden. Darüber hinaus werden die Daten der Vermessung auch in einem Datenbanksystem mitgeloggt, sodass auch im Nachhinein eine genaue Auswertung der Bauteilqualität möglich ist.
Die Krux bei der Werkstoffverarbeitung
Um das Silikon erfolgreich mit einem Drucker verarbeiten zu können, müssen die
Eigenschaften des Werkstoffs berücksichtigt werden. Zur Verarbeitung liegt das
Material in (zäh-) flüssiger Form vor. Um Luftblasen im fertigen Silikon 3D Druckteil zu
verhindern, wird das Silikon zuvor evakuiert. Zusätzlich wird es gekühlt, um den
Alterungsprozess und das Vernetzen durch Wärme zu verhindern. Während des
Druckprozesses wird das Material durch starke Pneumatik Zylinder gedrückt und
über Schläuche in den Drucker transportiert. Spezielle Ventile erzeugen dann flüssige
Tropfen, die nach jeder Schicht durch die Anwendung von UV-Licht vernetzt werden
und mit der Zeit aushärten.
Das Stützmaterial wiederum dient für Freiräume, an denen am fertigen Bauteil kein
Silikon vorhanden sein soll. Es hat eine wachsartige Konsistenz. Für den Druckprozess
wird es erwärmt, bis es flüssig ist, und ebenfalls über Pneumatik Zylinder und
(beheizte) Schläuche zu den Druckventilen transportiert. Sobald das Stützmaterial
gedruckt wird, kühlt es ab und verfestigt sich dabei.
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Wofür werden Silikon 3D Druck Bauteile verwendet oder gebraucht?
Die fertigen Bauteile, die durch den Silikon 3D Druck entstehen, werden für viele
verschiedene Einsatzgebiete benötigt. So kommen 3D Druck Teile aus Silikon z.B. in
der Medizintechnik zum Einsatz – unter anderem in Form von Ohrprothesen oder als
Anschauungsobjekt eines menschlichen Herzens. Aber auch Einsätze im
technischen Bereich sind möglich. So können mit dem Silikon 3D Druckverfahren z.B.
Rückschlagventile in einem Stück gedruckt werden. Auch für alle Arten von
Dichtungen, Ersatzteilen oder den Bau von Prototypen, z.B. im Automotive-Bereich,
eignet sich der Silikon 3D Druck.
Durch die Entwicklung und den Bau der Silikon 3D Druck Anlagen wurde
unserem Kunden der Weg für eine Vielzahl von neuen Einsatzgebieten geebnet.
Vom Einsatz für individuelle und patientenspezifische Medizinprodukte über die
Herstellung von durch klassische Herstellerverfahren bisher nicht
produzierbaren Bauteilen eröffnet der Silikon 3D Druck neue Möglichkeiten für
die Industrie.
Sonderanlagenbau und Entwicklung von Fertigungsprozessen bei enders
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