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Wacker Chemie Atemmasken und Hörgeräte aus Silikon 3D-drucken

Redakteur: Kathrin Schäfer

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 Silikon im 3D-Druck fertigen lassen.

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Dreidimensionale Werkstücke aus Silikon: Mit der von Wacker entwickelten 3D-Technologie ist es erstmals möglich, sie herzustellen.
Dreidimensionale Werkstücke aus Silikon: Mit der von Wacker entwickelten 3D-Technologie ist es erstmals möglich, sie herzustellen.
(Bild: Wacker)

Schicht für Schicht setzt ein Roboter aus einer Düse winzige Tröpfchen nebeneinander ab. Anschließend wird das Silikon 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, auch in der Medizin.

42 Kilometer und 195 Meter: Die Marathondistanz fordert Maximilian Peter jedes Mal aufs Neue heraus. Neben der körperlichen Fitness ist die Ausrüstung wichtig, vor allem bestmöglich passende Laufschuhe. Und da hat der promovierte Chemieingenieur und Wacker-Mitarbeiter eine Vision: stoßdämpfende Einlegesohlen, die an seine Füße individuell angepasst sind.

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Dreidimensionaler Druck

Die Lösung dafür hat er gemeinsam mit seinen Kollegen von Wacker Silicones und Fachleuten der Firma Enders Ingenieure GmbH aus dem niederbayerischen Ergolding entwickelt: den dreidimensionalen Druck von Silikon. „Elastomere, also gummiartige Substanzen, konnte man bisher nicht drucken. Es gab einfach kein geeignetes Verfahren dafür“, erläutert Dr. Bernd Pachaly, Leiter der Silikonforschung im Geschäftsbereich Wacker Silicones.

Formteile aus Silikon konnten bisher nur im kostspieligen 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 Silikon mit der neuen Technologie zu Materialien wie thermoplastisch verformbaren Kunststoffen, Metallen und Keramiken auf.

Wie funktioniert das?

Für den 3D-Druck von Silikon mussten Wacker und die Ingenieure der Firma Enders 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. Wie es jetzt funktioniert? Ort des Geschehens ist ein Glaskasten. Darin befindet sich der Werkraum mit einem Roboter. Die Maschine ist mit einer Düse ausgerüstet, aus der sie zügig ein Tröpfchen Silikon 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.

Beeindruckend schnell

Für die Steuerung des Roboters konnten die Entwickler keine Lösung von der Stange verwenden: „Ein zentraler Entwicklungsschritt war die Erstellung eines maßgeschneiderten Programms“, berichtet Enders-Geschäftsführer Florian Ganz. 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 Silikon 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 Silikontröpfchen auf.

Dank der Vulkanisation entsteht ein homogener Körper, denn 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 länger. Doch langfristig wollen die Entwickler in einer Stunde rund 100 g Silikon ausdrucken – schnell genug für jede denkbare Anwendung.

Dabei ist die Präzision besonders eindrucksvoll. Denn der Roboter erzeugt extrem feine Strukturen: Der Silikonstreifen ist etwa 0,6 mm 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 µm“, betont Pachaly. Das ist kaum mehr als Haaresbreite und deutlich glatter als bei gedruckten Kunststoffen.

Fast wie mit Spritzguss hergestellt sehen die Objekte aus – die additive Fertigung sieht man ihnen kaum an. Dazu musste Silikonentwickler Dr. Ernst Selbertinger eine Formulierung entwickeln, die sich als winziges flüssiges Tröpfchen dosieren lässt und anschließend sofort an Ort und Stelle stehen bleibt. „Man kann sich das so vorstellen wie bei der 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. Kleinserien und Einzelstücke lassen sich mit dem 3D-Druck schneller fertigen als mit herkömmlichen Techniken. Die Medizin interessiert sich für das biokompatible Material. Etwa für Implantate, die während einer Operation für den Patienten gefertigt werden könnten – nach den Daten, die bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomografie liefern.

Auch individuell hergestellte Atemmasken und Hörgeräte aus Silikon sollen schon bald im 3D-Druck hergestellt werden. Silikon 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. 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.

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