Schoko 3D - Drucken mit Schokolade
Nicht nur Autos, technische Anlagen, industrielle Großprojekte, in jedem Bereich des täglichen Lebens ist der Maschinenbau vertreten. Das Schoko-3D-Projekt zeigt die Herstellung essbarer Produkte. Dabei spielt das besondere Material und dessen Eigenschaften genauso eine wichtige Rolle wie das fertigungsgerechte Konstruieren.
Wie jedes andere herzustellende Bauteil muss auch das zu druckende Objekt designt und konstruiert werden. Diese digitale Vorlage kann direkt gedruckt werden. Prinzipiell sind für das Drucken mittels 3D-Drucker, aufgrund der hohen Druckzeiten, keine Massenproduktionen sinnvoll. Als Gegensatz zur Massenware bietet sich die Herstellung individueller Produkte an.
Im Rahmen eines Schülerprojektes mit dem Hansa-Gymnasium Stralsund wurde die neue Rügendammbrücke konstruiert und gedruckt.
Wir danken der Sparkasse Vorpommern für die finanzielle Unterstützung.
Der Drucker kann Objekte bis zu einer Größe von 20 x 20 x 20 cm drucken. Im Normalbetrieb verwendet er einen 3mm dicken Kunsstofffaden aus ABS oder PLA.
Der Drucker lagert hauchdünne Schichten des Materials übereinander und lässt so dreidimensionale Objekte entstehen. Auf horizontaler Ebene bewegt sich der Tisch auf dem das Objekt gedruckt wird, in vertikaler Richtung der Kunststoff-Extruder nach oben für die nächste Schicht.
Das Schoko-3D-Projekt beschäftigt sich damit, den K8200 nicht mit Kunststoff, sondern mit Schokolade drucken zu lassen. Studenten des Fakultät Maschinenbau konnten mit diesem 3D-Drucker nun ihre erlernten Fähigkeiten unter Beweis stellen. Als Leitfaden sollte dafür die von www.open-electronics.org verfügbare Anleitung genutzt werden.
Extruder:
Der Extruder ist das Bauteil des 3D Druckers, in dem der Werkstoff verflüssigt wird und an seine vorgesehene Position gedruckt wird. Ursprünglich nutzt der 3D Drucker einen Kunststofffaden von einer Rolle. Dieser wird im Extruder geschmolzen und verfestigt sich zügig nach dem Verlassen des Extruders. Dieses Bauteil muss für den Druck mit Schokolade ausgetauscht werden. Es wurde ein spezieller Extruder, ähnlich einer großen Spritze, für diese Aufgabe genutzt. Die Schokolade wird vor dem Druck verflüssigt und in den Extruder gegeben.
Kühlung:
Eines der größten Probleme des Werkstoffs Schokolade im Gegensatz zum Kunststoff ist das langsamere Verfestigen nach dem Extrudieren. Der Grund dafür ist in der deutlich kleineren Schmelztemperatur der Schokolade zu finden. Da Schokolade bei etwa 33°C gedruckt wird (Kunststoff bei knapp 200°C), liegen die Temperaturen am Austritt und die Raumtemperatur sehr nahe beieinander, und es ergibt sich ein zu lösendes Temperaturproblem. Zum Einen muss die Temperatur am Austritt des Extruders konstant hoch bleiben, zum Anderen sollte die Schokolade beim Auftragen der nächsten Schicht schon eine gewisse Festigkeit erreicht haben. Die Studenten bauten für die Lösung dieses Problems eine Kühlung. Dazu nutzten sie den 3D-Drucker, um die notwendigen Bauteile zu fertigen. Die auf dem Bild deutlich zu erkennenden roten Bauteile wurden vollständig mit dem K8200 gedruckt. Ein Computerlüfter, angetrieben von einem Elektromotor, sorgt für den nötigen Volumenstrom. Dieser wird über einen Schlauch auf das gedruckte Objekt geleitet und sorgt für eine zügigere Verfestigung.
Die Kühlung der Schokolade funktioniert und die gedruckten Objekte erhalten die vorher geplanten Formen.
Firmware:
Auch an der mitgelieferten Software, der Firmware, müssen Änderungen vorgenommen werden. Sie muss auf das neue Material und die neuen Druckbedingungen eingestellt werden.
In der Firmware ist die Temperatur am Austritt des Extruders auf mindestens 170 ° Celsius festgelegt. Sie verhindert den Druck, wenn die Temperatur unter diesen Wert sinkt. Für Schokolade ist dieser Wert deutlich niedriger einzustellen und die entsprechende Programmzeile in der Software muss geändert werden. Weitere Änderungen betreffen die PID-Regler für die Temperaturregelung und die Steuerung des Motors, der die Druckgeschwindigkeit festlegt.
Die Bedeutung der Informatik für den Maschinenbau ist in den letzten Jahrzehnten deutlich gestiegen. Für die Fertigung heutiger Endprodukte sind grundlegende Kenntnisse in der Informatik erforderlich. In dem Schoko-3D-Projekt sollen die Studenten und Beobachter für die Bedeutung dieser technischen Vorarbeit in der Produktion sensibilisiert werden.
Scannen und Drucken:
Um ein Objekt dreidimensional drucken zu können, muss es am Computer konstruiert und an den Drucker weitergeleitet werden. Diese Aufgabe kann bei real existierenden Objekten auch von einem 3D-Scanner übernommen werden.
Für diesen Zweck kann die Microsoft Kinect Kamera genutzt werden. Kinect wurde ursprünglich für eine Spielekonsole entwickelt und nimmt mit einem Tiefensensor und einer Kamera die Umgebung auf. Da der eigentliche Zweck die Aufnahme und interpretation von Bewegung ist, können diese Funktionen mit spezieller Software genutzt werden, um digitale, dreidimensionale Modelle aufzunehmen.
So ist das Scannen und Drucken von Objekten möglich.
