Siliconwürfel aus dem Drucker - Wacker Chemie AG


Siliconwürfel aus dem Drucker

Mit dem ersten industriellen 3D-Drucker, mit dem sich Objekte aus Silicon additiv fertigen lassen, präsentiert WACKER eine Weltneuheit. Nicht weniger innovativ ist das Geschäftsmodell: Kunden können ihr Design im Webshop hochladen oder im Open Print Lab unter fachlicher Anleitung selbst drucken. Das Objekt erhalten sie anschließend zugeschickt.

Mit dem neuen additiven Herstellungsverfahren können Siliconteile mit komplexen Geometrien gedruckt werden.

Experten sind euphorisch: Weltweit werden jährlich rund drei Milliarden US-Dollar mit dem 3D-Druck umgesetzt, so das Londoner Marktforschungsinstitut IHS. Bis 2020 sollen es bereits mehr als 20 Milliarden US-Dollar sein. Kaum ein Wirtschaftszweig wächst zurzeit so rasant wie die additive Fertigung, vor allem in Nordamerika und Europa, in jüngster Zeit auch in China. Und der Markt ist im Umbruch: Seit vor etwa zwei Jahren wichtige Patente auf 3D-Druckverfahren ausgelaufen sind, mischen auch die Hersteller „klassischer“ Drucker und große Chemieunternehmen im 3D-Geschäft mit.

Für WACKER war 2014 also ein guter Zeitpunkt, um ein dreidimensionales Druckverfahren für Silicon zu entwickeln. Das Design wird in einem CAD-Programm entworfen. Ein entsprechend programmierter Drucker fertigt dann Schicht für Schicht das Objekt.

„Im Automobilsektor wird die aufwendige Lagerhaltung von Siliconteilen, die nicht in sehr großen Stückzahlen gebraucht werden, überflüssig.“

Dr. Bernd Pachaly Leiter der Innovationssparte bei WACKER SILICONES

Bisher konnten in 3D-Verfahren vor allem thermoplastische Kunststoffe, Keramiken und Metalle gedruckt werden. „Elastomere, also gummiartige Substanzen, ließen sich mit diesen Druckverfahren nicht verarbeiten“, erklärt Dr. Bernd Pachaly, Leiter der Innovationssparte bei WACKER SILICONES.

Formteile aus Silicon wurden bislang vor allem im aufwendigen Spritzgießverfahren hergestellt, bei dem der Verarbeiter vorab eine Form anfertigen muss, in die der flüssige Siliconkautschuk schließlich unter Druck hineingepresst wird. Das lohnt sich nur für größere Stückzahlen.

Revolution des 3D-Drucks

Doch seit Herbst 2016 ist das anders. Auf der Kunststoffmesse K in Düsseldorf stellt WACKER den weltweit ersten industriellen 3D-Drucker für Silicon vor: ACEO® Imagine Series K, eine komplett eigenständige Lösung, bei der sowohl das Material als auch Hard- und Software von Grund auf neu konzipiert wurden. Die Chemiker des Konzerns standen vor der Herausforderung, das eigentlich hochviskose Silicon in eine Form zu bringen, die es erlaubt, winzige Tröpfchen durch die Düse eines Druckkopfs auf einer Oberfläche abzusetzen – und zwar nur dort, wo es die Software vorsieht. „Drop on demand“ nennen das die Entwickler. Die winzig kleinen Tropfen, von den Fachleuten als Voxel (Volumen-Pixel) bezeichnet, fließen ineinander und formen dadurch eine homogene Schicht. Um diese Anforderungen zu erfüllen, mussten die Fachleute eine völlig neue Siliconformulierung entwickeln.

Auch für die Steuerung des Druckers konnten sie keine Lösung von der Stange verwenden. Denn die Umwandlung der räumlichen Daten in eine hochpräzise mechanische Bewegung der Maschine ist alles andere als trivial. „Da wir ein besonderes Material und dafür einen eigenen Drucker haben, mussten wir auch eine eigene Software entwickeln, die auf unsere Anforderungen abgestimmt ist“, sagt Dr. Bernd Pachaly. Diese Software werde vom ACEO®-Team ständig weiterentwickelt und angepasst.

Tröpfchen für Tröpfchen

Nachdem der Drucker Schicht für Schicht die Silicontröpfchen aufgetragen hat, kann der Anwender sein Objekt sofort aus dem Drucker nehmen und verwenden – ohne Nachbearbeitung.

Nachdem der Druckkopf entsprechend der Druckanweisung eine Schicht aus Silicon abgesetzt hat, hält er kurz an und ein Strahl aus UV-Licht aktiviert die Vernetzungsreaktion in dem Elastomer. Sofort vulkanisiert das Silicon. Anschließend trägt der Druckkopf die nächste Lage aus Silicontröpfchen auf. Dank der Vulkanisation entsteht nun ein homogener Körper aus gummielastischem Silicon, denn das Material verbindet sich auch mit den weiteren Schichten, die aufgetragen werden. Ist der Prozess beendet, kann der Anwender sein Objekt sofort aus dem Drucker nehmen. Eine Nachbearbeitung ist nicht nötig.

Zusätzlich haben die WACKER-Experten sogar eine Möglichkeit gefunden, um Überhänge und Hohlräume zu drucken: Wo später kein Silicon sein soll, wird ein Stützmaterial für darüber liegende Schichten gedruckt. Es handelt sich um ein wasserlösliches Polymer, das sich nach der Fertigung einfach auswaschen lässt. Dank dieses Materials kann der Nutzer ganz ohne zusätzliche Formen oder Werkzeuge Objekte erzeugen, die mit anderen industriellen Fertigungsverfahren nicht herstellbar wären. Der 3D-Druck von Silicon ermöglicht somit völlig neue Objektdesigns – etwa einen Würfel mit einer dreidimensionalen Gitterstruktur.

Dieses Beispiel zeigt, welches Potenzial im 3D-Druck mit Silicon steckt. Der „Würfel“ kann nämlich fast wie ein Schwamm zusammengedrückt werden; lässt der Halter ihn los, nimmt er wieder seine ursprüngliche Form ein. Solche gedruckten elastischen Objekte eignen sich zum Beispiel als maßgeschneiderte Dämpfungselemente, etwa in Einlegesohlen. Auch Fahrzeugherstellern eröffnen sich ganz neue Perspektiven: Denn in jedem Auto, Zug oder Flugzeug stecken zahlreiche Kleinteile aus Siliconkautschuk: Dichtungen, Stecker, Schläuche, Dichtlippen für Türen und vieles mehr.

Schon jetzt spielt Silicon im Fahrzeugsektor all seine Stärken aus: Es ist bei Temperaturen von –80 bis +180 Grad Celsius beständig, resistent gegen Chemikalien und UV-Strahlung und in unterschiedlichen Härtegraden erhältlich. All diese Eigenschaften kommen nun auch in der Welt des gedruckten Silicons zum Zug – und dies auch in kleinen Stückzahlen bis hin zum Einzelexemplar. „Im Automobilsektor wird die aufwendige Lagerhaltung von Siliconteilen, die nicht in sehr großen Stückzahlen gebraucht werden, überflüssig“, davon ist Bernd Pachaly überzeugt.

Auch die Medizin interessiert sich für das neue Verfahren: „Wir können 3D-Modelle aus Silicon anhand von medizinischen Bilddaten drucken, die wir aus der Kernspin- oder Computertomografie erhalten“, berichtet die Ingenieurin Hannah Riedle von der Universität Erlangen, die dem Thema ihre Doktorarbeit widmet und dafür mit WACKER zusammenarbeitet. Es geht um die individuelle Nachbildung anatomischer Strukturen von Patienten, meist in Originalgröße. Blutgefäße, Herz, Milz und andere Organe – alles lässt sich plastisch und dreidimensional drucken.

Anhand eines solchen Modells kann ein Arzt dem Patienten veranschaulichen, wie es in dessen Inneren aussieht und warum zum Beispiel ein operativer Eingriff nötig ist. Diesen kann ein Chirurg auch direkt am gedruckten Objekt planen und sogar üben. „Silicon hat für uns den großen Vorteil, dass es elastisch ist und man es gut schneiden kann“, sagt Hannah Riedle. Beispielsweise hat die Ingenieurin bereits unterschiedliche Segmente von Blutgefäßen gedruckt.

Eigene Marke gegründet

In Zukunft sind noch viele weitere Anwendungen denkbar. So sollen individuell angepasste Atemmasken und Hörgeräte schon bald im 3D-Druck aus Silicon hergestellt werden.

Um den 3D-Druck in Silicon zu vermarkten, hat WACKER eigens die Marke ACEO® ins Leben gerufen. Das interdisziplinäre Team von ACEO® agiert als Keimzelle für Innovationen in Sachen Silicondruck. In einer „Print Fab“ werden Siliconformteile gedruckt und weltweit versandt. Zugleich möchte das Unternehmen eine traditionelle Stärke von WACKER – Kundennähe und die gemeinsame Anwendungsentwicklung mit Kunden – auf neuen Wegen fortführen.

So hat sich ACEO® auf die Fahne geschrieben, zusammen mit seinen Geschäftspartnern für deren Anforderungen maßgeschneiderte Lösungen zu finden. So bietet das interdisziplinäre Expertenteam Entwicklungsdienstleistungen zu Design und Material an. Wünscht ein Kunde etwa eine bestimmte Haptik, so lässt sich diese nicht nur durch unterschiedliche Härtegrade, sondern auch durch besondere Gitterstrukturen im Inneren der Körper verwirklichen – auch funktionelle Anforderungen lassen sich so realisieren.

Bei der Expertise in puncto Materialentwicklung knüpft das ACEO®-Team an die Kernkompetenzen von WACKER SILICONES an. Beispielsweise lassen sich gezielt Silicone für bestimmte Anwendungen wie Optik oder Elektronik entwickeln.

Vertriebliches Neuland betritt ACEO® mit seinem Open Print Lab und dem Webshop: Im Open Print Lab in Burghausen haben Kunden die Möglichkeit, ihre Objekte unter fachlicher Anleitung selbst zu drucken. Im Webshop wiederum können Kunden die Dateien für ihre Designs online hochladen, bestellen, bezahlen – und bekommen anschließend ihr Objekt weltweit zugeschickt.

Bernd Pachaly ist sich sicher, dass WACKER mit dem Geschäfts- und Vertriebsmodell von ACEO® neue vielversprechende Wege geht: „Bald wird es nicht mehr ausreichen, den Kunden Gebinde mit Chemikalien vor die Werkshalle zu stellen“, so die Einschätzung des Managers. Wertschöpfung werde zukünftig vor allem durch kundenorientierte Gesamtlösungen möglich – mit ACEO® geht WACKER auch einen Schritt in Richtung Industrie 4.0. Hersteller und Kunden vernetzten sich, um auf individuelle Anforderung und nach Bedarf zu produzieren. Mit Silicon und in 3D.