Additive Fertigung mithilfe von Piezoaktoren

Die treibende Kraft

Additive Fertigungsverfahren haben die Prototypen-Nische verlassen und sind dabei, ihren Platz in der industriellen Produktion zu finden. Während bei der Kunststoffverarbeitung Spritzgießen das Verfahren der Wahl ist, wenn es um große Stückzahlen und hohe Qualitätsansprüche geht, ist die additive Fertigung prädestiniert für die effiziente Fertigung von Einzelteilen und Kleinserien. Davon können mittlerweile alle 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.

Anwendungsfelder

Medizinische Implantate

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der additiven Fertigung sind persönlich angepasste Implantate und Orthesen.

Funktionsbauteile

Das Material eignet sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften für Automobilindustrie und Luftfahrt.

Mechanische Teile

Das Funktionsbauteil aus Bio-Polyamid wird in einem Schritt ohne nachfolgende Montage additiv gefertigt

Funktionsprinzip

Der zentrale Prozess der additiven Fertigung ist die Tropfenerzeugung an der Düse der Austragseinheit. Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um und ermöglichen Bewegungen mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich. Sie erreichen Stellwege bis etwa einen Millimeter und hohe Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Tausend Hertz. Die Austrageinheit am Freeformer arbeitet aktuell mit Frequenzen zwischen 60 und 200 Hz.

 

  1. Ausgangsbasis: Qualifiziertes Standardgranulat
  2. Materialaufbereitung mit Schnecke wie beim Spritzgießen
  3. Materialreservoir zwischen Schnecke und Düsenspitze steht unter Druck
  4. Piezoaktor taktet den Düsenverschluss
  5. Düsenverschluss
  6. Austrag einzelner Tropfen an der Düsenspitze
  7. Bauteilträger bewegt Teil in X- und Y-Richtung sowie in Z-Richtung schrittweise nach unten.

Martin Neff - Gruppenleiter Vertrieb und Technologie Kunststoff-Freiformen bei Arburg

Bei der Taktung des Düsenverschlusses für die Tropfenerzeugung haben wir uns für einen Piezoaktor entscheiden, weil wir hier die notwendig hohe Dynamik und Genauigkeit für den Materialaustrag haben.

https://www.arburg.com/de/

ARBURG Martin Neff
Martin Neff, Firma ARBURG

Eigenschaften des Piezoaktors

Der für die Taktung des Düsenverschlusses beim AKF-Verfahren eingesetzte PICMA-Piezoaktor hat außer Genauigkeit und Dynamik noch weitere Eigenschaften, die ihn für den industriellen Einsatz in der additiven Fertigung geradezu prädestinieren. Der kundenspezifisch ausgelegte Aktor deckt Stellwege bis 90 µm mit Sub-Nanometer-Auflösung ab, ist druckbelastbar bis 3.000 N und mit einer Ansprechzeit im Mikrosekundenbereich ausgesprochen reaktionsschnell. Keine andere Ventiltechnologie bietet eine solch schnelle Reaktionszeit bei vergleichbarer Baugröße. Außerdem sind PICMA-Aktoren konventionellen, polymerumhüllten Piezoaktoren in Leistung und Lebensdauer weit überlegen, denn sie sind vollkeramisch isoliert. Ihr monolithischer Piezokeramikblock ist durch die keramische Isolierschicht vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom geschützt und erreicht so auch unter extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Bewegungszyklenzahl. Der monolithische Aufbau bedingt außerdem eine hohe Resonanzfrequenz, weshalb sich die Aktoren ideal für hochdynamische Anwendungen eignen.

Highlights des PICMA® Actuators

Genauigkeit
Dynamik
Frequenz
Lange Lebensdauer
Kraft
Zuverlässigkeit

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