23.03.2016 | News

3 D : Druck Dir Dein Ei!

Von: tec/pr-krk, Kerstin R. Kindermann

3D - Druck Dir Dein Ei!

Es ist kalt. Es riecht nach Schokolade. Professor Wolfgang Frühauf, Anian Bühler und Simon Hagmeyer drucken Ostereier aus heißer, flüssiger Schokolade. Schokolade aus dem 3D-Drucker. Der 3D-Druck ist mittlerweile ein Standard-Verfahren im industriellen Bereich, insbesondere für die schnelle Erstellung von Prototypen. Aber 3D-Schokolade aus dem Drucker oder hochwertige industrielle Werkzeuge zur Fertigung von Kunststoffteilen – das ist neu und damit beschäftigten sich die Technik-Studierenden der Hochschule Reutlingen.

Von der Idee zum 3D-Schoko-Ei

Ein 3D-Drucker ist ein interessantes mechatronisches System mit eindrucksvollen Anwendungen. Das brachte Professor Frühauf vom Studienbereich Mechatronik auf die Idee, die Entwicklung eines 3D-Druckers zum Thema eines neuen Studienprojektes zu machen: „Es musste eine reizvolle Anwendung sein, die nicht nur Technik-Freaks begeistert und für das letsgoING-Projekt genutzt werden kann, mit dem wir regionale Gymnasien im NWT-Unterricht mit der Bereitstellung interessanter technischer Projekte unterstützen.“

Schnell war die Idee geboren: Schokolade drucken! Keine wirklich neue Idee; es sind bereits Systeme in der Markteinführung, die in der Lage sind pastöse Lebensmittel und z. T. auch Schokolade zu drucken. Allerdings wird das Druckmaterial bei diesen Geräten aus einer Spritze herausgepresst und dabei schichtweise aufgetragen. Ein kontinuierlicher Druck ist wegen des begrenzten Spritzenvolumens nicht möglich und damit die Einsatzfähigkeit stark eingeschränkt.

Die Aufgabenstellung war ein 3D-Drucker, der Schokolade kontinuierlich druckt und mehrere Druckköpfe (z.B.  für weiße und dunkle Schokolade) besitzt.  „Ein Besuch bei Ritter Sport in Waldenbuch sorgte für das richtige Knowhow, um den Zusammenhang zwischen Materialstruktur und Fließverhalten in Abhängigkeit von der Temperatur zu verstehen“, so Bühler „denn es darf keine unansehnlichen Ausblühungen auf der Schokoladenoberfläche geben, wie wenn Schokolade in der heißen Sonne lag.“  Zum Glück fand die Projektgruppe mit Michael Blessing, Produktentwickler und Schöpfer zahlreicher Ritter Sport Schokoladensorten, einen Schokoladen-Experten!   

Auf dieser Basis wurden erste Konzepte zur kontinuierlichen Förderung flüssiger Schokolade entwickelt und in einem umgebauten klassischen 3D-Thermoplast-Drucker getestet. Schnell wurde klar, dass zum 3D-Drucken von Schokolade die Bewegungsdynamik verändert und unterschiedliche Temperaturzonen im Drucker eingebaut werden mussten. Eine von Grund auf neue Entwicklung! „Eigentlich sollten schon Weihnachtsmänner gedruckt werden, aber wie das mit solchen Entwicklungen ist: drucken wir heute Osterhasen oder Ostereier.“ Mehrere Heiz- und Kühlzonen mussten geschaffen und aktiv geregelt werden und Luftführungssysteme getestet, die eine gezielte Abkühlung des Objektes vor dem Druckpunkt ermöglichen. Die komplexen Düsenformen wurden übrigens auch am Rechner konstruiert und mit 3D-Druckern dann in Kunststoff gefertigt.

Zu verdanken ist das ein Stück weit dem Mechatronik-Studenten Simon Hagmeyer. Aus seiner Thesisarbeit konnten viele Ideen bei der Drucker-Neuentwicklung umgesetzt werden und jetzt druckt er mit dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Anian Bühler leckere, vorzeigbare 3D-Schoko-Objekte bis zur Größe von 200x200x200mm!

„Bei der Neuentwicklung des 3D-Schokodruckers konnten viele Aspekte aus unserem Mechatronik-Studium in einem sehr anspruchsvollen mechatronischen Projekt direkt umgesetzt und erprobt werden. Wir haben alle viel dazugelernt,“ so Professor Frühauf. Das ist wichtig, da der 3D-Druck von Lebensmitteln zwar für Massenprodukte aus Kostengründen nicht interessant sei. Bei dieser Idee liege das Potenzial im Bereich von individuell beschrifteten Schokoladenartikeln oder beliebigen Miniatur-Figuren z.B. aus Bodyscan-Daten und vielen Arten von Konfiserie-Produkten. Auch der Druck von optisch ansprechbarem Essen für kau- und schluckbehinderte Patienten aus pastösen Materialien ist Gegenstand von Entwicklungsprojekten.

Mit !PEP in 3D

Eine ganze andere 3D-Druckart erforschen die Studierenden im 1.Semester des Masterstudiengangs Maschinenbau. Im Laufe des Semesters werden Forschungsprojekte rund um die Spritzgießtechnologie erarbeitet und mit Unterstützung verschiedener Projektpartner aus der Wirtschaft auf der hochschuleigenen Spritzgießmaschine realisiert.

Das sieht dann so aus, dass sich Studierende wie Jonas Nägele im Schichtbetrieb in der Maschinenhalle abwechseln und Teil für Teil nummerieren, inspizieren und dokumentieren, um am Ende eines langen Tages endlich eine kleine, aussagekräftige Versuchsserie mit den Werkzeugen aus Kunststoff darzustellen. Das ist neu: der gravierende Unterschied  ist, dass normalerweise erste Muster im Serienwerkstoff und Serienverfahren in der Regel in Aluminiumwerkzeugen hergestellt werden – nur diese Herstellung des Werkzeugs kann bis zu vier Wochen dauern. Auf wenige Tage verkürzt werden kann dieser Prozess durch die Verwendung von 3D-gedruckten Werkzeugen wodurch Zeit und Geld gespart wird.

Das ist Neu

Erste Versuche zur Verwendung von lichtausgehärteten 3D-gedruckten Harzen für den Zweck der Musterwerkzeugerstellung wurden erst vor wenigen Jahren bekannt. Wissenschaftliche Untersuchungen haben nicht stattgefunden. Demensprechend rar sind fundierte Kenntnisse über Materialverhalten, Gestaltungsrichtlinien und Verfahrensbedingungen. Durch das von Professor Dr. Steffen Ritter initiierte! PEP-Projekt werden durch breitangelegte Versuchsreihen die unterschiedlichen Parameter der Prozesse untersucht werden. Dabei haben die Studierenden mit einigen Herausforderungen zu kämpfen. Ein Werkzeug aus Kunststoff hat deutlich geringere Festigkeitswerte im Vergleich zu Metall, eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit und die Spitzentemperaturen beim Spritzgießprozess liegen deutlich über der zulässigen Dauertemperatur. In einem Versuch werden aufgrund der hohen Kühl- und Zykluszeit 150 Teile in 16 Stunden produziert.

Und wie druckt es „Frohe Ostern“ in 3D?

Das Druckverfahren erklärt Siegfried Heinrich: „Zuerst wird das Bauteil an einem CAD-System entworfen. Das CAD-Programm konvertiert die geometrische Information des dreidimensionalen Modells in ein anderes Format, damit es von der „Rapid-Prototyping“-Anlage verarbeitet werden kann. Im Maschinenlabor der Hochschule Reutlingen gibt es zwei Verfahren: bei der Stereolithografie trifft ein Laserstrahl auf einen flüssigen Kunststoff und härtet diesen Schicht für Schicht aus. Beim zweiten Verfahren, dem Fused Deposition Modeling, wird ein schmelzfähiger Kunststoff bei 270°C über eine bewegliche Düse Schicht für Schicht auf eine Plattform abgetragen und erstarrt gleich nach dem Verlassen der Düse bei 70°C Umgebungstemperatur.

Streng genommen ist 3D-Druck ein Unterverfahren vom Rapid-Prototyping und im Vergleich zu anderen Verfahren sehr preiswert. Allerdings halten diese Bauteile bislang nur geringe mechanische Belastungen aus, so dass noch viele schlaue Köpfe wie die Reutlinger Studierenden, Professoren und wissenschaftlichen Mitarbeiter forschen und produzieren müssen, damit wir druckfrisch ein Schoko-Osterei naschen und Ihnen mit dicken grünen Lettern „Frohe Ostern“ wünschen können!

Vielen Dank an die oben genannten Personen, die sich viel Zeit genommen haben, mir die einzelnen Verfahren und Schritte und Methoden zu erklären, Fotos zu machen und essbare 3D-Schokolade zu drucken und viele Schriftzüge in unterschiedlichen Farben zu programmieren und zu drucken, um Ihnen jetzt FROHE OSTERN zu wünschen!