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Wacker Chemie AG
Hanns-Seidel-Platz 4
81737 München, Germany
www.wacker.com
FEATURE-SERVICE
Nummer 1, September 2015
Drucken mit Silicon
Schicht für Schicht zum 3D-Objekt
Der 3D-Druck ist ein Zukunftstrend. Unternehmen, Produktentwickler und Designer fertigen damit Ersatzteile, Prototypen und
vieles mehr. Doch die Palette der Materialien ist begrenzt. Bisher
lassen sich vor allem Kunststoffe und Metalle drucken. Nun hat der
Münchner Chemiekonzern WACKER ein Verfahren entwickelt, mit
dem sich auch Objekte aus Silicon im 3D-Druck fertigen lassen.
Schicht für Schicht setzt ein Roboter aus einer Düse winzige
Tröpfchen nebeneinander ab. Anschließend wird das Silicon mit
ultraviolettem Licht vulkanisiert. Dabei entstehen homogene Körper
mit einer nahezu glatten Oberfläche. Das Material ist biokompatibel,
temperaturbeständig und transparent. Damit eröffnet das Verfahren
neue Anwendungsfelder in den Industriebereichen Automobil,
Medizin, Haushalt und Optik. Nach Meinung von Experten ist der 3DDruck mit Silicon ein riesiger Markt.
Individuell gefertigte
42 Kilometer und 195 Meter: Die Marathondistanz fordert
Siliconteile werden
Maximilian Peter jedes Mal aufs Neue heraus. Neben der
schon bald verfügbar
körperlichen Fitness ist die Ausrüstung wichtig, vor allem
sein
bestmöglich passende Laufschuhe. Und da hat der promovierte
Chemieingenieur und WACKER-Mitarbeiter eine Vision:
Stoßdämpfende Einlegesohlen, die an seine Füße individuell
angepasst sind. „Leider gibt es so etwas noch nicht“, bedauert
der passionierte Sportler, „aber wir sind damit gerade im
Zieleinlauf“.
Die Lösung dafür hat er gemeinsam mit seinen Kollegen von
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WACKER SILICONES und Fachleuten der Firma enders
3D-Druck mit Silicon –
Ingenieure GmbH aus dem niederbayerischen Ergolding
Durchbruch in der
entwickelt: den dreidimensionalen Druck von Silicon. Das ist ein
additiven Fertigung
Durchbruch in der Welt der „additiven Fertigung“, wie der 3DDruck in der Fachsprache heißt. „Elastomere, also gummiartige
Substanzen, konnte man bisher nicht drucken. Es gab einfach
kein geeignetes Verfahren dafür“, erläutert Dr. Bernd Pachaly,
Leiter der Siliconeforschung im Geschäftsbereich WACKER
SILICONES.
Formteile aus Silicon konnten bisher nur im kostspieligen
Schnelle, flexible
Herstellung von
Protoypen und
Kleinserien
Spritzgussverfahren gefertigt werden. Dazu bedarf es eines
eigenen Werkzeugs, und dessen Herstellung lohnt sich nur für
größere Stückzahlen. Nicht für ein Paar Einlegesohlen.
„Spritzguss ist das etablierte Verfahren für die Serienproduktion.
Das wird auch so bleiben“, sagt Pachaly. „Aber diejenigen, die
Prototypen entwerfen oder nur wenige Exemplare eines Bauteils
produzieren wollen, können solche Kleinserien jetzt schnell und
flexibel fertigen und dabei immer neuen Anforderungen
anpassen. Darin besteht der eigentliche Mehrwert des
Verfahrens.“
Damit schließt Silicon mit der neuen Technologie zu
Materialien wie thermoplastisch verformbaren Kunststoffen,
3D-Druck – eine
Schlüsseltechnologie
der Zukunft
Metallen und Keramiken auf. Bei ihnen ist der 3D-Druck schon
länger möglich. Er gilt als eine der Schlüsseltechnologien der
Zukunft und begeistert viele „Maker“, wie sich die Anwender im
Szenejargon nennen. Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt:
Kreative Entwickler und technikaffine Designer drucken ihre
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Objekte entsprechend dreidimensionaler Designvorlagen. Und
längst gibt es auch spezialisierte Unternehmen, die zum Beispiel
Filmkulissen oder Schmuck, Prothesen oder Spielzeug fertigen.
Nicht zu vergessen Ersatzteile aller Art, Prototypen und
Kleinserien, für die der 3D-Druck ursprünglich entwickelt wurde.
Den Markt für die additive Fertigung schätzen Experten für
3D-Markt wächst jedes
Jahr um 30 Prozent
das Jahr 2014 auf rund 3,8 Milliarden US-Dollar weltweit, mit
einer rasanten Steigerungsrate von 30 Prozent und mehr pro
Jahr. Davon entfällt nicht einmal die Hälfte auf die Hardware,
also Drucker und Materialien. Dienstleistungen wie
Produktentwicklung und Kundenlösungen sind als Markt noch
wichtiger.1
In den USA haben Forscher und Unternehmer den Trend zur
additiven Fertigung längst erkannt. 150.000 Drucker gibt es dort
bereits – sogar Kinder experimentieren damit in Grundschulen.
Deutschland will beim
3D-Druck aufschließen
Deutschland ist da noch längst nicht so weit. Zwar haben sich im
April 2015 in Hamburg die Politiker der dortigen Koalition
erstmals auf eine „3D-Druck-Strategie“ verpflichtet. Bundesweit
fehlt jedoch eine strategische Förderung, wie die
„Expertenkommission Forschung und Innovation“ der Berliner
Regierung einen Monat zuvor ins Stammbuch schrieb.
Auch der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) sieht in seinem
Statusreport „Additive Fertigungsverfahren“ Handlungsbedarf.
Vor allem sollten noch mehr Werkstoffe drucktauglich werden,
die Maschinen sollten leistungsfähiger und die Prozesse stärker
1
siehe dazu Markstudie von Wohlers Associates, www.wohlersassociates.com; Zusammenfassung auf
Forbes online, www.forbes.com/sites/louiscolumbus/2015/03/31/2015-roundup-of-3d-printing-marketforecasts-and-estimates/
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integriert und automatisiert sein, mahnten die Fachleute im
Herbst 2014.
Genau an diesen Themen arbeiteten WACKER und die
WACKER entwickelte
3D-Druck mit Silicon in
weniger als einem Jahr
Ingenieure der Firma enders bereits damals gemeinsam. Für den
3D-Druck von Silicon mussten sie dabei eine grundlegend neue
Lösung austüfteln. Denn das Material schmilzt in der Hitze nicht,
wie das thermoplastische Kunststoffe oder Metalle tun. Man kann
also nicht einfach Schicht für Schicht als Pulver auftragen und
entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Form mit
einem Laserstrahl verschmelzen. Die Experten haben sich
schließlich für ein Verfahren entschieden, das sie in nur einem
Jahr entwickelt haben. „Eine sehr spannende und konstruktive
Zeit“, wie Bernd Pachaly nicht ohne Stolz anmerkt.
Das Ergebnis ist beeindruckend. Ort des Geschehens ist ein
3D-Drucker funktioniert
wie Tintenstrahldrucker
Glaskasten. Darin befindet sich der Werkraum mit einem
Roboter. Die Maschine ist mit einer Düse ausgerüstet, aus der
sie zügig ein Tröpfchen Silicon nach dem anderen auf einer
Unterlage absetzt. Nicht irgendwo, sondern exakt dort, wo es die
Computerdatei mit der Designsoftware vorgibt – genau wie beim
Tintenstrahldruck auf Papier.
Für die Steuerung des Roboters konnten die Entwickler keine
Lösung von der Stange verwenden: „Ein zentraler
Erste benutzerfreund-
Entwicklungsschritt war die Erstellung eines maßgeschneiderten
liche 3D-Software
Programms“, berichtet enders-Geschäftsführer Florian Ganz. Aus
der Sicht von Bernd Pachaly hat sich der Aufwand gelohnt: „Das
ist die erste wirklich benutzerfreundliche Software auf diesem
Gebiet“, findet er.
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Regelmäßig hält der Roboter kurz an und ein UV-Lichtstrahl
wandert über die winzigen Tropfen. Die sind zu einem schmalen
Streifen zusammengeflossen. Nun wird das Silicon in weniger als
einer Sekunde im ultravioletten Licht vulkanisiert. Dabei
vernetzen die Moleküle zu einer gummielastischen Substanz.
Anschließend trägt der Roboter die nächste Lage aus
Silicontröpfchen auf.
Dank der Vulkanisation entsteht ein homogener Körper, denn
Schicht für Schicht –
3D-Logo aus Silicon
das zähflüssige Material verbindet sich gleich nach dem
Auftragen auch mit den Schichten, die unmittelbar daneben oder
darunter liegen. Beeindruckend rasch wächst aus dem Nichts
das Logo von WACKER heraus. Nach einer guten Viertelstunde
sind die Buchstaben mit den markanten Serifen rund einen
Zentimeter groß und einige Millimeter dick. Größere Objekte zu
fertigen dauert entsprechend länger. Doch langfristig wollen die
Entwickler in einer Stunde rund 100 Gramm Silicon ausdrucken –
schnell genug für jede denkbare Anwendung.
Dabei ist die Präzision besonders eindrucksvoll. Denn der
Drucker erzeugt extrem
Roboter erzeugt extrem feine Strukturen: Der Siliconstreifen ist
feine Strukturen
etwa 0,6 Millimeter breit und dabei nur halb so hoch. Das macht
die Herstellung äußerst genauer Konturen möglich und ergibt
eine Oberfläche, die bei angenehmer Haptik nahezu eben ist.
„Die Rauigkeit kann noch besser werden als 100 Mikrometer“,
betont Pachaly. Das ist kaum mehr als Haaresbreite und deutlich
glatter als bei gedruckten Kunststoffen.
Fast wie mit Spritzguss hergestellt sehen die Objekte aus –
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die additive Fertigung sieht man ihnen kaum an. Um das zu
erreichen, musste Siliconentwickler Dr. Ernst Selbertinger eine
Formulierung entwickeln, die sich als winziges flüssiges
Innovative Silicon-
Tröpfchen dosieren lässt und anschließend sofort an Ort und
rezeptur – dosierfähig
Stelle stehen bleibt. „Man kann sich das so vorstellen wie bei der
und standfest
Zahncreme: in der Tube unter Druck flüssig wird sie auf der
Zahnbürste wieder standfest“, erklärt der Chemiker. Mehr verrät
er nicht über die Mischung – nur dass ein Platinkatalysator
enthalten ist, der die Vernetzung der Moleküle im UV-Licht
bewerkstelligt.
Das Firmenlogo aus Silicon ist nur eines von vielen
Entwicklungsergebnissen zum Anfassen. Es soll das Potenzial
Kleinserien lassen sich
schnell und flexibel
herstellen
des Verfahrens demonstrieren. Kleinserien und Einzelstücke
lassen sich mit dem 3D-Druck deutlich schneller fertigen als mit
herkömmlichen Techniken. Etwa Prototypen und Ersatzteile für
die zahlreichen Siliconelemente, die in jedem Auto stecken:
Stecker, Schläuche und vieles mehr. „Im Automobilsektor wird
die aufwändige Lagerhaltung von Siliconteilen überflüssig
werden“, davon ist Bernd Pachaly überzeugt. Auch die Medizin
interessiert sich für das biokompatible Material. Etwa für
Implantate, die sogar während einer Operation passend für den
Patienten gefertigt werden könnten – nach den Daten, die
bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomografie
liefern.
Nasenpad auf
Knopfdruck
Auch individuell hergestellte Atemmasken und Hörgeräte aus
Silicon sollen schon bald im 3Ddruck hergestellt werden. Und,
was alle Brillenträger freuen wird: Nasenpolster, die wirklich
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passen. Die Vision: Der Optiker braucht nur noch mit einem
Laser die dreidimensionale Kontur der Nase zu erfassen und sie
in einen 3D-Drucker einzulesen, der sofort das perfekt sitzende
„Pad“ herstellt. Für den Haushalt sind zum Beispiel Backformen
mit dem eigenen Namenszug denkbar. Silicon ist bekanntlich
temperaturbeständig. Weil es zudem wegen seiner Transparenz
geschätzt wird, denken die Forscher auch an optische
Anwendungen wie maßgeschneidert gedruckte Linsen. Und nicht
zuletzt an individuell gefertigte Einlegesohlen für Laufschuhe.
Der Markt für gedrucktes Silicon ist riesig, da sind sich die
Entwickler sicher.
„Wir haben viele Ideen und wollen unseren Kunden mehr zur
WACKER wird in Kürze
als erster Siliconhersteller ein
komplettes 3D-System
anbieten können
Verfügung stellen, als nur das Silicon für die additive Fertigung“,
sagt Bernd Pachaly. Das bedeutet: Wenn ein Unternehmen ein
bestimmtes Produkt aus Silicon drucken möchte, muss es nicht
erst mit großem Aufwand ein neues Verfahren entwickeln.
WACKER wird sich in naher Zukunft um die Systemlösung
kümmern können, also um geeignete Maschinen und die
passende Software – und damit neuartige Leistungen für seine
Kunden anbieten. „Bald wird es nicht mehr ausreichen, den
Kunden Gebinde mit Chemikalien vor die Werkshalle zu stellen“,
so die Einschätzung des Innovationsleiters. Wertschöpfung wird
zukünftig vor allem durch kundenorientierte Gesamtlösungen
möglich. Und dafür eignet sich der 3D-Druck von Silicon
hervorragend.
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KASTEN 1
Additive Manufacturing
Der Begriff Additive Manufacturing bezeichnet Fertigungsprozesse, bei
denen das herzustellende Werkstück mit Hilfe eines Rechners und einem
dreidimensionalen Computermodell schichtweise aufgebaut bzw.
„gedruckt“ wird. Erfunden wurde der 3D-Druck Anfang der 1980er Jahre
vom US-Amerikaner Chuck Hull, der den ersten 3D-Drucker für die
Stereolithografie entwickelte. Inzwischen existieren zahlreiche 3DVerfahren auf dem Markt. Die wichtigsten sind das selektive Laserschmelzen, das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle, das selektive
Lasersintern, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für
flüssige Kunstharze. Hauptanwendungsgebiet für die additive Fertigung ist
die Herstellung von Prototypen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt,
Automobilindustrie, Maschinenbau, Medizin- und Zahntechnik. Wegen
sinkender Kosten und steigender Fertigungsgüte nutzen immer mehr
Unternehmen die Möglichkeiten der 3D-Technik auch zur Herstellung von
Kleinserien oder Ersatzteilen.
KASTEN 2
Siliconkautschuk
Siliconkautschuk besteht im Wesentlichen aus Siliconpolymeren und
Füllstoffen. Durch die Vernetzung mit geeigneten Reaktionspartnern
entstehen dreidimensionale Strukturen. Aus der anfangs fließfähigen
bzw. plastischen Kautschukmischung wird ein elastischer Gummi. Die
mechanischen Eigenschaften eines solchen Siliconelastomers lassen
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sich nahezu beliebig variieren und anpassen. Siliconelastomere sind
außerordentlich vielseitig, zudem robust, beständig und langlebig.
Aus diesem Grund werden sie vor allem in anspruchsvollen
Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Vibrationsdämpfung im
Auto, zur Isolierung von Freilandleitungen, zum Verguss und Schutz
elektronischer Komponenten, zur Herstellung von Wundverbänden,
zum Verbinden und Abdichten von Fugen oder Anschlüssen oder zur
Verkapselung energiesparender LED.
KASTEN 3
enders Ingenieure GmbH
Seit über 20 Jahren betreut die enders Ingenieure GmbH namhafte
Unternehmen der Automobil-, Nutzfahrzeug- und Medizintechnikindustrie. Die Expertise der in Ergolding bei Landshut beheimateten
Firma umfasst alle Stufen der Prototypenentwicklung und reicht von
der Produktentwicklung und dem Prototypenbau bis zur Fertigungsund Steuerungstechnologie. In jüngster Zeit hat sich das Unternehmen unter anderem auf die Entwicklung von 3D-Fertigungsprozessen spezialisiert. Das Unternehmen wird von Dr. Lothar Enders
und Florian Ganz geführt und beschäftigt derzeit 55 Mitarbeiter.
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ILLUSTRATIONEN
Bild 01: 3D_Silicones_Printing.jpg
Die derzeit verfügbaren 3D-Drucktechnologien verwenden als Ausgangsmaterial
Metall, Kunststoff, Kunstharz oder keramische Werkstoffe. Für Siliconelastomere
existierte bislang kein Verfahren. Mit der von WACKER entwickelten 3DTechnologie ist es erstmals möglich, dreidimensionale Werkstücke aus Silicon
herzustellen. (Foto: Wacker Chemie AG)
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Bild 02: 3D_Silicones_Object
Im 3D-Druck gefertigtes Formteil aus Silicon. Der Münchner Chemiekonzern
WACKER hat erstmals ein Verfahren entwickelt, das den dreidimensionalen Druck
von Werkstücken aus Silicon gestattet. Das Verfahren eignet sich für viele Industriebereiche. Für die Automobil-, Medizin-, Haushalts- und Beleuchtungsindustrie
ergeben sich ganz neue Möglichkeiten der Produktentwicklung. Prototypen, auch mit
komplexen Geometrien, lassen sich schnell, flexibel und ohne teure Werkzeuge
produzieren. Auch Kleinserien und Ersatzteile, die laufend an neue Anforderungen
angepasst werden müssen, können auf diese Weise produziert werden.
(Foto: Wacker Chemie AG)
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Bild 03: 3D_Printing_Process_DE
Grafische Darstellung des WACKER3D-Verfahrens: Im ersten Schritt wird
das anzufertigende Bauteil mit Hilfe
eines Computerprogramms gezeichnet. Nach der Berechnung der Raumkoordinaten (Schritt 2) werden die
Druckanweisungen berechnet
(Schritt 3). Der Druckroboter führt
anschließend die Druckanweisungen
präzise aus und schichtet punktgenau
das Silicon (Schritt 4). So entsteht
aus dem Computermodell Schicht für
Schicht ein dreidimensionales Bauteil
aus Silicon.
(Grafik: Wacker Chemie AG)
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Bild 4a
Bild 4b
Bild 4c
Bild 4d
Bilder 4a-d: Picture_Series_3D_Printing
Das WACKER-3D-Verfahren funktioniert wie ein Tintenstrahldrucker: Die
Düse setzt ein Tröpfchen Silicon nach dem anderen exakt dort ab, wo es
das Computerprogramm vorgibt (Bilder 4a und 4b). So entsteht, Schicht für
Schicht, aus der virtuellen Zeichnung ein dreidimensionales Formteil aus
Silicon (Bilder 4c und 4d). (Photos: Wacker Chemie AG)
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Bild 05: Pachaly_Schuster
Dr. Bernd Pachaly, Leiter der WACKER-Siliconeforschung, und Laborantin
Stefanie Schuster haben in weniger als einem Jahr neue Rezepturen für den 3DDruck entwickelt. Das Silicon muss nicht nur farbecht und blasenfrei sein, sondern
auch entsprechende Fließeigenschaften aufweisen. (Foto: Wacker Chemie AG)
Bild 6: 3D_Silicones_Printer
Das neue 3D-Verfahren des Münchner Chemiekonzerns WACKER arbeitet
äußerst präzise. Der Druckroboter produziert Strukturen mit einer Linienbreite von
0,6 Millimetern. Das Silicon wird tröpfchenweise gesetzt und ist nach dem
Auftragen sofort standfest. Das macht die Herstellung äußerst genauer Konturen
möglich. (Foto: Wacker Chemie AG)
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Weitere Informationen erhalten Sie von:
Wacker Chemie AG
Presse und Information
Florian Degenhart
Tel. +49 89 6279-1601
[email protected]
www.wacker.com
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Unternehmenskurzprofil:
WACKER ist ein global operierender Chemiekonzern
mit rund 16.700 Beschäftigten und einem Jahresumsatz von
rund 4,83 Mrd. € (2014).
WACKER verfügt weltweit über 25 Produktionsstätten, 21 technische
Kompetenzzentren und 48 Vertriebsbüros.
WACKER SILICONES
Siliconöle, -emulsionen, -kautschuk und -harze, Silane, Pyrogene Kieselsäuren,
Thermoplastische Siliconelastomere
WACKER POLYMERS
Polyvinylacetate und Vinylacetat-Copolymere in Form von Dispersionspulvern,
Dispersionen, Festharzen und Lösungen als Bindemittel für bauchemische
Produkte, Farben und Lacke, Klebstoffe, Putze, Textilien und Vliesstoffe sowie
für Polymerwerkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe
WACKER BIOSOLUTIONS
Biotechnologische Produkte wie Cyclodextrine, Cystein und Biopharmazeutika,
außerdem Feinchemikalien und Polyvinylacetat-Festharze
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Reinstsiliciumwafer und -einkristalle für Halbleiter-Bauelemente

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