Entwicklung eines Wachsdruckkopfes basierend auf einem piezoelektrischen Standard-Multilayer-Biegewandler
Konstruktive Bachelorarbeit betreut durch Thomas Ottnad und Tim Lüth.
Anwendungsgebiet
In einer Vorrichtung zum Drucken von Wachs wird ein piezoelektrischer Biegewandler eingesetzt, dessen Verformung zu einem gezielten Tropfenausstoß führt. Die Vorrichtung ist somit ein Drop on Demand Wachsdrucker.
Die Tropfenerzeugung basiert auf der Kombination von Volumenverdrängung und Impulsübertragung. Entscheidend für die Funktion ist neben der Materialauswahl die Positionierung des Biegewandlers relativ zur Düse. Für die Positionierung existieren keine definierten Vorgaben und Toleranzen. Hinzu kommen die rauhen Bedingungen, denen der Biegewandler ausgesetzt ist – bei hohen Temperaturen, oberhalb der Schmelztemperatur von Wachs, muss die Kontaktierung elektrisch isoliert und stabil sein. Im prototypischen Aufbau erweist sich diese aktuell als störanfällig.
Stand der Technik
Bei der Herstellung des Wachsdruckers kommen verschiedene Fertigungsverfahren zum Einsatz: klassische spanende Verfahren, Rapid-Prototyping Verfahren durch Laserablation und manuelle Arbeitsschritte wobei hierbei insbesondere die Auftragung von Klebern zu erwähnen ist. Das Funktionsprinzip sowie Bauanleitungen sind in den angegebenen Referenzen zu finden.
Kritik am Stand der Technik
Für die Herstellung des Wachsdruckkopfes ist ein hohes Maß an handwerklichen Fertigkeiten erforderlich - gleichzeitig erlaubt dies keine eindeutige, quantifizierbare Beschreibung eines gefertigten Druckkopfes. Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit im Herstellungsprozess sind damit nicht gegeben. Die Eignung durch Funktionstest wird aufgrund der Vielzahl möglicher Fehlerursachen erschwert.
Zentraler Kritikpunkt ist die Kontaktierung, Positionierung und Montage des piezoelektrischen Biegewandlers. Für diese Bereiche existieren bislang keine standardisierten Verfahren. Konkret lassen sich folgende Punkte formulieren:
- Nicht-reproduzierbare vertikale und horizontale Positionierung des Biegewandlers relativ zur Austrittsdüse durch Verwendung nicht reproduzierbarer Klebschichtdicken
- Nicht-reproduzierbare und versagensanfällige Kontaktierung des Biegewandlers
Aufgabe
Um den Kritikpunkten zu begegnen, soll im Bezug auf die Herstellung eines Druckkopfes eine robuste und eindeutige Bauweise entwickelt werden. Dazu zählt in die Integration eines kommerziell erhältlichen piezoelektrischen Biegewandlers. Die Integration dieses Biegewandlers setzt eine komplette Neukonstruktion des Wachsdruckers voraus, um den Biegewandlers mit seinen Abmessungen montieren zu können. Die Montage soll ohne die Verwendung von Klebemitteln erfolgen. Ein entsprechendes Dichtungskonzept soll entwickelt und durch Erprobung nachgewiesen werden.
Ziele
Aus den genannten Kritikpunkten und der Beschreibung der Aufgabe lassen sich direkt die Ziele der Arbeit ableiten:
- Konstruktion eines Wachsdruckers mit klebemittelfreier Montage eines kommerziell erhältlichen, kontaktierten piezoelektrischen Biegewandlers
- Integration und Anbringung von Heizelementen und Sensoren zur Temperaturüberwachung
- Kompatibilität des Wachsdruckers zu der elektrischen Ansteuereinheit
- Entwicklung eines Dichtungskonzepts
Die definierten Ziele werden abhängig vom Reifegrad detailliert und an die daraus resultierenden Randbedingungen angepasst.
Erwartung und Ergebnisse
Für die Bearbeitung der genannten Aufgabe wird folgendes erwartet:
- Ausführliche Dokumentation der einzelnen Schritte.
- Strukturiertes Vorgehen, d.h. ausgehend von einer Situationsanalyse und Problemeingrenzung alternative Lösungsansätze generieren und auf Basis definierter Kriterien Lösungsansätze bewerten und vergleichen.
Als Ergebnis der Arbeit stehen folgende Punkte im Vordergrund:
- Ausfertigung und Präsentation der Bachelorarbeit
- Konstruktion eines Wachsdruckers mit klebemittelfreier Montage eines kommerziell erhältlichen, kontaktierten piezoelektrischen Biegewandlers
- Fertigung mehrerer funktionsfähiger Exemplare
- Funktionsnachweis durch Anlegen eines definierten Ansteuersignals und Tropfenbeobachtung
- Variation von Positionierung des Biegewandlers und Bestimmung des Einflusses auf die Tropfenbildung
Referenzen und Literatur
Matthias Butz, Untersuchung und Optimierung eines Wachsdruckers zur Erstellung dreidimensionaler Körper, Semesterarbeit, Technische Universität München, Lehrstuhl MiMed, März 2010
Max Guba, Analyse und Reproduktion eines Wachsdrucksystems auf Basis eines piezoelektrischen Biegewandlers, Semesterarbeit, Technische Universität München, Lehrstuhl MiMed, September 2010
Martin Kamp, Neukonstruktion eines Wachsdruckers auf Basis eines piezoelektrischen Biegewandlers, Bachelorarbeit, Technische Universität München, Lehrstuhl MiMed, laufende Arbeit
Martin Lernbecher, Entwicklung und Aufbau einer Ansteuereinheit für einen Wachsdruckkopf, Diplomarbeit, Technische Universität München, Lehrstuhl MiMed, laufende Arbeit
Thomas. Ottnad, Franz Irlinger, Tim C. Lüth, Design, construction, and verification of a printhead – tolerant towards bubbles - dosing liquid wax using rapid prototyping techniques, Proc. of IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2011), Budapest, Hungary, July 3-7, 2011, pp 215-219