Projekt für die Schokoladenindustrie: Linearantriebseinheiten sorgen für individuellen Schichtaufbau

Anhand der Rapid Prototyping-Schoki-Maschine Choc­ALM 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 personalisierten Schokoladenteile jedes Mal eine teure Form herstellen. Zudem ist diese Methode extrem unflexibel. Unsere ChocALM-Maschine hat somit ein enormes Marktpotenzial.\“ Auch der Schokoladenriese Cadbury ist an diesem Projekt beteiligt. Außerdem unterstützen die Firmen Farnell, ein Hersteller von Elektronik-Bauteilen, sowie HepcoMotion, ein Anbieter für Linearführungen die Studenten finanziell oder mit Komponenten. Mehr als nur ein reines Forschungsprojekt ChocALM vermag mit Hilfe von Computerdaten ein beliebiges 3D-Schokoladenobjekt herzustellen. Die Maschine kann mit einem 3D-Drucker 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 Gerät umfasst ein dreiachsiges 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. Die Form kann so komplex sein wie z.B. ein menschliches Gesicht. Linearantriebseinheiten realisieren Bewegungen Die linearen, kartesischen Bewegungen werden von fünf riemengetriebenen Linearantriebseinheiten PDU2 von HepcoMotion erzeugt. \“Die Linearantriebe sind für unsere Maschine ideal, da uns deren spielfreie Einstellmöglichkeit eine Toleranz des Ablagerungssystems von nur 0,6mm ermöglicht\“, erklärt Teamleiter James Bulleid. \“Die Wahlfreiheit bei den Motoren sowie die abgerundete Welle erlauben es uns zudem, Schrittmotoren der gewünschten Größe anzubringen.\“ Die Lineareinheiten PDU2 vereinen die Riemenantriebs-Technologie mit moderner Materialtechnik und dem Aluminiumprofil-Design desselben Herstellers. Die Linearachse besteht aus einem T-Nut-Profil, in dem der Zahnriemen und die Wagenplatte integriert wurden. Durch diese Anordnung ist das System gegen das Eindringen von Staub und Schmutz geschützt. Die Führungsräder aus Herculane laufen reibungsarm auf der inneren Profilfläche und stabilisieren die Wagenplatte. Das Linearsystem bietet daher einen geringen Reibungswiderstand und benötigt durch die Rollbewegung der Führungsräder keine Schmierung. Die Führungsräder eignen sich für hohe Geschwindigkeiten, die für Kugelumlaufsysteme unerreichbar sind. Die Lineareinheit PDU bietet Geschwindigkeiten bis zu 6m/s. Die Antriebe erreichen eine Lastaufnahme von 600N bei einem Profilquerschnitt von 60x51mm. 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. Das spart Zeit bei der Installation. Lebensmitteltaugliche Komponenten notwendig 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 möglich ist. 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 mithilfe erhitzter Wasserreservoirs. Nutzen der Ergebnisse für den industriellen Einsatz 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. Projektteam plant weitere Partnerschaften