Hochschule Koblenz entscheidet sich für die Aufbereitung von Massen für Additive Fertigung für Eirichmischer

Die Additive Fertigung, meist als 3D-Druck bezeichnet, hat in den letzten Jahrzehnten in vielen Branchen stark an Bedeutung gewonnen. Im Kompetenzzentrum für den 3D-Druck von Keramik in Höhr-Grenzhausen sollen erstmals feuerfeste Formteile hergestellt werden. Für die Aufbereitung der Massen hat die Hochschule die beste verfügbare Mischtechnik gewählt, und Eirich Auftrag erteilt, einen Mischer zu liefern.

Kein anderes Formgebungsverfahren für Bauteile aus Kunststoff, Keramik oder Metall bietet soviel Potenzial für Kosteneinsparungen wie der 3D-Druck - schnellere Produktion, geringere Werkzeugkosten, weniger Arbeitsschritte und weniger Ausschuss. Auch bei der Prototypenherstellung und Kleinserienfertigung ergeben sich deutliche Einsparungen. Zudem gelingt es oft, Material zu sparen und leichtere Bauteile herzustellen. Beispielsweise gehört der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrtbranche heute schon zu den Standardverfahren, z.B. für Teile der Turbinen.

In der Keramik hat sich der 3D-Druck lange Zeit auf kleine Bauteile fokussiert, die konventionell nur aufwändig herzustellen waren. In der Technischen Keramik und Dentalkeramik hat sich das Verfahren inzwischen erfolgreich durchgesetzt. Während in der Bauindustrie heute als Vorzeigeobjekte ganze Häuser in additiver Fertigung erstellt werden, hat die Keramische Industrie bei größeren Bauteilen und Objekten noch Nachholbedarf.

Dies hat die Landesregierung Rheinland-Pfalz erkannt. In der Folge wurde im Sommer 2019 der Aufbau eines Kompetenzzentrums für den 3D-Druck von Keramik in Höhr-Grenzhausen mit rund 5,3 Millionen Euro, die je zur Hälfte aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und dem Landeshaushalt kommen, gefördert. Das Zentrum wird eingerichtet vom Forschungsinstitut für Anorganische Werkstoffe -Glas/Keramik- GmbH (FGK), der Hochschule Koblenz und der Universität Koblenz-Landau. Das Projekt dient zunächst zur Entwicklung einer Infrastruktur und dem Aufbau eines Know-hows zur Additiven Fertigung von anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffen. Diese erstrecken sich über die gesamte Bandbreite keramischer Werkstoffe – von der Silikatkeramik über die Feuerfestkeramik, die technische Keramik und Transparentkeramik bis hin zum Multimaterialdruck.

Für die Aufbereitung von „3D-Feuerfest-Massen“ mit einem 75-Liter-Mischer fiel die Entscheidung aus mehreren Gründen auf Eirich. An der Hochschule Koblenz stehen bereits fünf Eirichmischer mit 1, 5, 10 und 40 Liter Nutzvolumen. Man kennt deren Fähigkeiten. Eirichmischer unterscheiden sich von anderen Mischern dadurch, dass ein sich drehender Mischbehälter das Mischgut zum Mischwerkzeug transportiert. Der Transport des Mischguts ist so vom eigentlichen Mischvorgang entkoppelt. Schnelllaufende boden- oder wandnah angeordnete und damit verschleißintensive Werkzeuge entfallen. Dies führt dazu, dass die Mischwerkzeuge schneller laufen können, ohne übermäßig Reibung und Verschleiß am Mischbehälter zu bewirken. Diese Mischer haben ab 1924 in der Feuerfestindustrie die damals übliche Kneter- und Kolleraufbereitung abgelöst. Nun war es möglich, mit weniger Ton maßgenaue und hochfeuerfeste Steine herzustellen, unplastische Gemenge ohne Kornzerkleinerung zu mischen, mineralogisch und korngrößenmäßig unterschiedliche Stoffe in ein und derselben Mischung einzusetzen und damit gezielt Hochleistungswerkstoffe zu entwickeln und zu produzieren. In der Folge ist der Eirichmischer heute weltweit der Standard in der Feuerfestindustrie.

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des Eirichmischers ist die problemlose Scale-up-Fähigkeit. Mischungen werden auf kleinen Mischern entwickelt; die Übertragung auf größere Mischer ist oft problematisch. Beim Scale-up wächst das Volumen des Mischgutes mit der dritten Potenz, die Wandflächen des Aggregats wachsen jedoch nur mit der zweiten Potenz. Bei Schubmischern (wie z. B. Ringtrog- und Planetenmischern) und bei Wurfmischern (z. B. Horizontalmischern) werden zusätzliche Werkzeugsätze benötigt, wenn der Mischer größer wird; die Leistungsdichte im Mischbehälter ändert sich. Beim Horizontalmischer kommt hinzu, dass zur Unterstützung des Mischprozesses / zur Desagglomeration von Feinststoffen schnell laufende Messerköpfe erforderlich sind, deren Wirkung Literaturangaben zufolge nicht scale-up-fähig ist. Anders beim Eirichmischer: In Mischern zwischen 1 l und 3000 l wird nur ein einziges Mischwerkzeug benötigt, der sogenannte Wirbler. Der Leistungseintrag in die Mischung wird über die Art des Mischwerkzeugs, über die Werkzeuggeschwindigkeiten sowie die Drehrichtung sehr genau definiert. Die jeweilige Aufgabenstellung legt diese Parameter fest, diese bleiben dann beim Upscaling meist unverändert. Innerhalb einer Umdrehung des Behälters werden zudem 100 % des Mischguts vom Werkzeug bewegt; der Mischer mischt deshalb ohne Totzonen im Mischer - und ohne Entmischen, was bei Bedarf auch längere Mischzeiten ermöglicht. Die systembedingten Eigenschaften der Eirich-Mischtechnik ermöglichen so eine einfache Übertragbarkeit der Prozessparameter auf die Produktionsmaschinen, und meist ohne erneute aufwendige Anpassungsarbeiten in die Produktion zu gehen.

Der neue, in Edelstahl ausgeführte Mischer wird im Frühjahr 2021 geliefert werden. Als Besonderheit ist anzusehen, dass nicht nur der Wirblerantrieb mit FU-Geschwindigkeitsregelung ausgeführt ist, sondern auch der Mischbehälter. Damit entstehen zusätzliche Freiheitsgrade in der Prozessführung.

Für die Hochschule Koblenz bedeutet das neue Kompetenzzentrum eine weitere Stärkung des WesterwaldCampus in Höhr-Grenzhausen als forschungsstarker und innovativer Standort. In Höhr-Grenzhausen ist auch die ECREF - European Centre for Refractories gGmbH zuhause, welche das internationale Feuerfestkolloquium (ICR) in Aachen ausrichtet. Mit 3D-Druck wird der Feuerfestindustrie eine Technologie zur Verfügung gestellt werden, die wirtschaftlich und damit zukunftsweisend ist.

Weitere Informationen:
Ansprechpartner: Markus Walter, E-Mail: markus.walter@eirich.de, Lee Klein, E-Mail: leeklein@hs-koblenz.de