Rapid Prototyping sowie Rapid Manufacturing ist ein Verfahren zur schnellen Herstellung von Musterbauteilen auf Basis von Konstruktionsdaten. Der schichtweise Aufbau von Produkten wird vor allem in der Luft- und Raumfahrt, für Formel-1-Rennwagen und im medizinischen Bereich genutzt. Studenten der Universität Exeter in England konstruierten nun eine Maschine, die per schichtweisem Aufbau individuelle Schokoladenerzeugnisse herstellen konnte.

Fünf riemengetriebene Linearantriebseinheiten PDU2 von HepcoMotion® sorgen letztendlich für einen süßen Spaß.

Fünf riemengetriebene Linearantriebseinheiten PDU2 von HepcoMotion® sorgen...

Anhand der ChocALM, so heißt diese Rapid Prototyping-Schoko-Maschine, konnten die Studenten unter Leitung von Dr. Liang Hao nicht nur die Grenzen der Technologie des Additivschicht-Herstellungsverfahrens (ALM) neu ausloten, sondern die Maschine dürfte auch ein wirtschaftlicher Erfolg werden. Wie Teamleiter James Bulleid betont, sind „die Absatzmöglichkeiten für individuelle Schokoladenprodukte enorm. Derzeitig muss man für solche, personalisierte Schokoladenteile jedes Mal eine teure Form herstellen. Zudem ist diese Methode unflexibel. Unsere ChocALM-Maschine hat somit ein beachtliches marktwirtschaftliches Potential.“ Nicht umsonst beteiligt sich der Schokoladenriese Cadbury an diesem Projekt. Weitere Industrieunternehmen, welche die Studenten finanziell oder mit Komponenten unterstützten sind die Firma Farnell, Hersteller von Elektronik-Bauteilen sowie HepcoMotion®, Spezialist für Linearführungen.

Auf Basis von Konstruktionsdaten

ChocALM vermag mit Hilfe von Computerdaten ein beliebiges 3D-Schokoladenobjekt herzustellen. Die Maschine kann mit 3D-Drucken oder 3D-Deposition verglichen werden, abgesehen davon, dass durch die Schichten aus Schokolade eine Süßware entsteht. Ausgangspunkt ist ein 3D-Computerbild – üblicherweise in Form einer STL-Datei. Anschließend zerlegt die Software dieses Bild in Schichten, verwendet Koordinaten für die Ablage und zeichnet den erforderlichen Pfad auf. Der Gestaltungsprozess besteht darin, dass Schokolade über den Pfad einer Schicht gespritzt wird und anschließend die Oberfläche, auf der sich die Schokolade befindet, abgesenkt wird, um für die nächste Schicht Platz zu machen. Das innovative Gerät umfasst ein 3-achsiges kartesisches Koordinatensystem, das an eine temperaturgesteuerte Kammer angeschlossen ist. Temperierte Schokolade wird in eine Extrusionseinheit gepumpt und durch die Düse gepresst. Die austretende Schokolade ist das Filament, das schichtweise auf einer Auffangplatte gelagert wird, die Bestandteil des z-Achsen-Tisches ist, sodass eine 3D-Form mit einzigartigem Design entsteht. Diese Form kann so komplex sein wie z. B. ein menschliches Gesicht.

Die linearen, kartesischen Bewegungen werden von fünf riemengetriebenen Linearantriebseinheiten PDU2 von HepcoMotion® erzeugt. „Diese Linearantriebe sind für unsere Maschine ideal, da uns deren spielfreie Einstellmöglichkeit es erlaubte, eine Toleranz des Ablagerungssystems von nur 0,6 mm zu garantieren“, erklärt Teamleiter James Bulleid. „Die Wahlfreiheit bei den Motoren sowie die abgerundete Welle erlauben es uns zudem, Schrittmotoren der gewünschten Größe anzubringen.”

Gegen Gefahrenquellen und Widerstände

Die Lineareinheiten PDU2 vereinen die bewährte Riemenantriebs-Technologie mit neuester Materialtechnik und dem innovativen Aluminiumprofil-Design. Die Linearachse besteht aus einem T-Nut-Profil, in dem der Zahnriemen und die Wagenplatte integriert wurden. Durch diese Anordnung ist das System sehr wirksam gegen das Eindringen von Staub und Schmutz geschützt. Besonders interessant dürften die neuen Führungsräder aus Herculane® sein. Diese laufen reibungsarm auf der inneren Profilfläche und stabilisieren die Wagenplatte. Das Linearsystem bietet daher einen sehr geringen Reibungswiderstand und benötigt durch die Rollbewegung der Führungsräder keinerlei Schmierung. Die neuen Führungsräder eignen sich für sehr hohe Geschwindigkeiten, welche für Kugelumlaufsysteme unerreichbar sind. Die Lineareinheit PDU bietet Geschwindigkeiten bis zu 6 m/s. Beachtlich ist auch die Lastaufnahme von 600 N bei einem Profilquerschnitt von lediglich 60 x 51 mm. Die Antriebswelle wird wahlweise links, rechts oder beidseitig herausgeführt. Weitere Optionen beinhalten eine Haltebremse, einen Positionier-Encoder sowie Schalterklemmen. Die eingebaute, drehbare Schaltfahne an der Wagenplatte lässt sich an beliebiger Seite anbringen, was Zeit bei der Installation spart.

Da sich ChocALM noch in der Entwicklungsphase befindet, wurden die entsprechenden lebensmitteltauglichen Komponenten noch nicht genau spezifiziert. Allerdings gibt es die PDU2-Einheiten von HepcoMotion® in lebensmitteltauglichen Ausführungen, sodass deren Einsatz in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie problemlos möglich ist.

Temperatur und Fließeigenschaften sind das Um und Auf

Die Verhaltenseigenschaften von Schokolade sind einzigartig. Schokolade ist eine komplexe Substanz, die in sechs verschiedenen kristallinen Formen vorkommt, von denen nur zwei genießbar sind. Um diese genießbaren Formen zu erhalten, muss die Schokolade temperiert werden, um die anderen vier Formen auszuschmelzen. Die Temperierung erfolgt mit Hilfe erhitzter Wasserreservoirs – die Schokolade wird auf ca. 45° C erhitzt und anschließend auf 23° abgekühlt. Danach wird sie verrührt und erneut auf 27° erhitzt. Auf dieser Temperatur wird sie bis zum Ausspritzen gehalten.

ChocALM ist ein Projekt, das Master-Studenten noch für einige Jahre inspirieren wird. Dr. Liang Hao wird dieses Projekt zusammen mit Exeter Advanced Technologies (X-AT) fortführen, mit dem Ziel der kommerziellen Herstellung von personalisierten/individuell gestalteten Schokoladen und der Weiterentwicklung der Maschinenfähigkeiten. Hierin eingeschlossen ist die Weiterentwicklung des derzeitigen Designs dahingehend, dass für die gleichzeitige Aufbringung von zwei Schokoladenarten zwei Düsen integriert sind. Außerdem wird die Möglichkeit der aktiven Kühlung der aufgebrachten Schokolade überprüft, um so den Aufbauvorgang zu beschleunigen. James Bulleid betont: „Was das Extrusionsverfahren anbelangt, gibt es noch viel zu lernen. Wir müssen mehr über die genauen Fließeigenschafen der Schokolade innerhalb der Trommel herausfinden, um das Design der Düse zu optimieren.“

Großes internationales Interesse an ALM-Technologie

Mittlerweile plant das Projektteam, die ChocALM-Maschine bei einem Partnerschaftsprojekt als Beispiel für fortschrittliche Technologie zu zeigen. Ziel sind weitere Kooperationen mit Fachingenieurfirmen sowie mit HepcoMotion®. Ebenso soll das Image des Ingenieurwesens bei einer breiten Öffentlichkeit verbessert werden. „Das ist ein großartiges Beispiel dafür, wie Ingenieurwissen für die Schaffung eines aufregenden und kommerziell attraktiven Produkts angewandt werden kann“, folgert Dr. Liang Hao.