Kompetenzen

Gemeinsam mit unseren Partnern entwickeln und verbessern wir Abläufe und Systeme für den funktionalen und grafischen Druck sowie Dosiertechnologien für die Anwendung in den Bereichen Biotechnologie, Food und Verfahrenstechnik.

Fluidik und Drucksysteme

Damit wir den unterschiedlichen Anforderungen unserer Kunden entsprechen können, verwenden wir eine Vielzahl von Druck- und Dosiersystemen – ideal abgestimmt auf das verwendete Fluid.

Dispensing

Mit unseren Dispensertechnologien können wir nieder- bis mittelviskose Medien auf verschiedene Substrate präzise auftragen. Das IDT baut dazu eigene Dispensersysteme auf und stellt auch Mess- und Regelelektronik zur Verfügung.

  • Zeit-Druck-Systeme
    Viele Medien lassen sich sehr wiederholgenau mit Mikro-Jettingventilen dosieren. Dabei setzen wir eine Vielfalt von Mikroventilen sowie ein eigenes Drucküberwachungssystem ein. Wir können auch in höheren Temperaturbereichen bis zu 120 °C arbeiten.
  • Dosierpumpen
    Dosierpumpen verwenden wir oft in Medtech- und Biotechanwendungen – deshalb haben wir auch im Dosieren im sterilen Bereich Erfahrung.
  • Volumenmessung
    Zur Messung von dosierten Volumen hat das IDT eigene Messsysteme mittels Laser-, Optik- und Durchfluss-Messung entwickelt. Daneben verwenden wir auch kommerziell erhältliche Messsysteme.

Inkjet

Für zuverlässige Aussagen über die Leistung von industriellen Inkjet-Druckköpfen müssen die Betriebsbedingungen im Labor wiederholt werden können. Mit unseren Anlagen können wir die optimalen Betriebsparameter für eine Vielzahl von Inkjet-Druckköpfen finden, angepasst an die Maschinenumgebung und das gewünschte Druckmedium.

  • Druckköpfe und -systeme
    Das Institut verfügt über Erfahrungen im Umgang mit gängigen Drucksystemen und Druckköpfen verschiedener Hersteller wie Xaar, Konica-Minolta, Kyocera, Trident, Ricoh, Dimatix, Global Inkjet Systems und The Technology Partnership.
  • Tintenversorgung
    Das am IDT entwickelte Tintenversorgungssystem erlaubt uns, Parameter wie Meniskusdruck, Tintentemperatur und Crossflow zu regeln und aufzuzeichnen. So können wir ideale Bedingungen identifizieren und später in einer Produktionsumgebung reproduzieren.
  • Tintenentgasung
    Wie alle Flüssigkeiten enthält auch Inkjet-Tinte physikalisch gelöste Gase. Entweichen diese während des Druckprozesses, kommt es zu Düsenausfällen und Qualitätsverlusten. Mit der am IDT entwickelten Anlage können wir kleinere Mengen an Tinten für Versuchszwecke mit geringem Aufwand entgasen.

Extrusion

Hochviskose, gelartige oder pastöse Medien werden häufig mit Extrudern dosiert. Das IDT setzt unterschiedliche Verfahren wie Schneckenextruder oder Kolbenextruder ein.

Oberflächenbehandlung

Oft müssen zu bedruckende Materialien wegen ihrer Oberflächenbeschaffenheit vorbehandelt werden, um die Haftung zu verbessern. Nach dem Druck werden industrielle Tinten und Klebstoffe häufig mit UV-Licht oder thermisch gehärtet.

Oberflächenaktivierung

Je nach Anwendung ist ein Abperlen oder Aufsaugen des gedruckten oder dosierten Produktes gefragt. Wir behandeln deshalb Oberflächen und Stoffe mit Hydrophilierungsmitteln, Plasma oder Primern, um den Kontaktwinkel zwischen Medium und Substrat zu verändern.

UV-härtende Systeme

Für eine höhere Produktivität verwendet die Drucktechnologie oft UV- oder lichthärtende Farben und Lacke. Unser Institut beschäftigt sich deshalb mit Härtungsprozessen, Druckprozessen von UV-Tinten und UV-LED-Technologie. Für Systeme mit thermischer Aushärtung arbeiten wir auch mit Infrarot-Strahlern oder Öfen.

Anlagenbau

Wir entwickeln Komponenten und Anlagen – von der Auslegung über die CAD-Konstruktion bis hin zur Produktion und CE-Zertifizierung. Für die Fertigung können wir die BFH-interne Werkstatt sowie verschiedene 3D-Druck-Systeme nutzen.

Beispiele von realisierten Anlagen:
 

  • Dosierkopf für die Applikation von Silikon
    In einem Kundenprojekt haben wir einen kompletten Dosierkopf mit fahrbarer Z-Achse und eigener Regelelektronik entwickelt und aufgebaut. Diesen Dosierkopf nutzen heute zwei Schweizer Firmen in der Produktion.
  • Inkjet-Drucker
    In einem Kundenprojekt haben wir einen kompletten 3D-Drucker mit industriellen Inkjet-Druckköpfen aufgebaut. Die Arbeit des IDT umfasste dabei den gesamten Bereich von der Konstruktion und der Datenaufbereitung über die Ansteuerung der Achsen und der einzelnen Druckkopfdüsen bis zur Tintenversorgung.
  • Teststand
    Für eine Machbarkeitsstudie haben wir einen Teststand für das Bedrucken von Rundkörpern entwickelt. Dieser ermöglicht das direkte Bedrucken von zylindrischen und konischen Objekten wie Tuben, Flaschen, Bechern, Dosen usw. mit einer oder mehreren Farben bis hin zum Vierfarbendruck. Auch funktionale Beschichtungen mit Gleitlacken, hydrophilen oder hydrophoben Lacken usw. sind möglich.

Steuerelektronik

Oft muss für ein Forschungsprojekt eine spezifische elektronische Steuerung oder Signalauswertung entwickelt werden. Wir haben das Wissen und die Werkzeuge für die Entwicklung von elektronischen Steuerungen auf Mikrocontrollerbasis, von Steuerungssoftware und elektrischen Schaltschränken.

Vom Konzept zur bestückten Kleinserie

Von der Konzipierung über die Schema-Erstellung und das Layout können wir alle Schritte am Institut durchführen. Die extern gefertigten Leiterplatten können wir in unserem Labor bestücken und in Betrieb nehmen.

Programmierung

Kaum eine elektronische Schaltung enthält kein programmierbares Bauteil. Wir entwickeln Firmware für Mikrocontroller und Code für FPGAs. Bei vielen Projekten erstellen wir auch eine PC-Software, um Abläufe zu steuern und zu visualisieren.

Beispiele

Folgende Steuerungen haben wir am IDT als Bestandteile von übergeordneten Projekten entwickelt:

  • Triggerbox
    Die Triggerbox emuliert durch die Erzeugung von Encoder-Signalen die Bewegungen eines Druckkopfs. Synchron dazu werden Pulse zur Ansteuerung von Blitzlampen und Kameras erzeugt. So können wir Druckköpfe auf dem IDT-eigenen Teststand «Dropwatcher» testen.
  • Tintenversorgungssystem
    Diese Elektronik steuert und regelt alle Prozesse, die für das Tinten-Handling bei kleinen Druckmaschinen und beim Dropwatching benötigt werden – etwa die Entgasung und Zuführung der Tinte oder die Regelung verschiedener Temperaturen und Drücke.
  • Ventilsteuerung
    Die am IDT entwickelte Ventilsteuerung erzeugt die Strompulse zum Betrieb von bis zu vier Mikroventilen. Die Konfiguration erfolgt über eine serielle Schnittstelle. Die Ventile können wahlweise vom PC oder über einen Triggereingang ausgelöst werden. Die IDT-Ventilsteuerung wurde vom Start-up ReseaTech weiterentwickelt und ist heute als kommerzielles Produkt erhältlich. 
  • Druckmonitor
    Der Druckmonitor zeigt Single-Use-Drucksensoren in Biotech-Applikationen an und überwacht sie. Mit den verschiedenen Ausgängen kann das Gerät stand-alone als Überdruckschutz oder als Drucktransmitter für eine übergeordnete Steuerung eingesetzt werden.
  • Inkjet-3D-Drucker
    In einem Kundenprojekt haben wir einen kompletten 3D-Drucker mit industriellen Inkjet-Druckköpfen konstruiert. Unsere Arbeit umfasste dabei den gesamten Bereich von der Datenaufbereitung über den Aufbau, die Ansteuerung der Achsen und der Druckkopfdüsen bis zur Tintenversorgung.

Simulation

Simulationen werden für die Dimensionierung, Analyse und Optimierung von Maschinen eingesetzt. Die Ergebnisse aus der Simulation führen zu schnelleren Lösungen und Verbesserungen.

Simulationen mit Matlab Simulink

Berechnungen, bei denen viele variable Faktoren gleichzeitig das Ergebnis beeinflussen, können mittels Matlab-Simulink anschaulich aufgebaut und simuliert werden. Dabei können wir das Verhalten einer Maschine in Extremsituationen (Notbremsung, Grenzdrehzahl usw.) untersuchen.
Im Folgenden stellen wir einige Simulationsprojekte vor, die wir mit Matlab-Simulink durchgeführt haben:

  • Ventile
    Die Simulation von Ventilen ist eine unserer Kernkompetenzen. Das Öffnungs- und Schliessverhalten von Elektro-, pneumatischen und hydraulischen Ventilen lässt sich durch eine Festkörpersimulation (Simulink) gut beschreiben. Reicht diese auf Punktmassen beschränkte Simulation nicht aus, können wir Systemgrössen und Wechselwirkungen (Kräfte, Felder, Ströme usw.) mit unserer Multiphysics-Simulation COMSOL genauer ermitteln.
  • Erdgas-Wasserstoff-Mischtankstelle
    Die in der Mischtankstelle ablaufenden Prozesse wie Temperaturentwicklung durch Expansion, Mischtemperatur und Druckverläufe haben wir mit einer Simulink-Simulation modelliert und grafisch dargestellt.
  • Notbremsung von Fahrzeugen und Seilbahnen
    Um das Verhalten von Fahrzeugen in Extremsituationen abzuschätzen, haben wir Simulationsmodelle aufgebaut. Sie geben unter anderem Aufschluss über Seilkräfte, Trägheitskräfte, Beschleunigungen und Belastungen der Bauteile. Durch das Simulationsmodell lassen sich Schwachpunkte der Konstruktion frühzeitig erkennen und behandeln. Diese Verbesserungen werden wiederum am Simulationsmodell verifiziert.

Multiphysics-Simulationen

Durch die Finite-Elemente-Methode (FEM) können wir mechanische Strukturen, Flüssigkeitsströmungen sowie elektrische und magnetische Prozesse und deren Wechselwirkungen untersuchen. Gerade bei komplizierten Geometrien oder Grössen, die sich in Feldern ausbreiten (Magnetfeld), ist diese Berechnungsmethode unumgänglich. Das Institut für Drucktechnologie hat die Werkzeuge und das Wissen für Simulationen in COMSOL Multiphysics, Ansys und Fluent.

Messung und Analyse

Für ein möglichst optimales Druckergebnis muss man die Prozessparameter kennen. Dazu stehen uns verschiedene Messinstrumente und Teststände zur Verfügung. Durch eine computergesteuerte Automatisierung von Messreihen können wir den Zeitaufwand minimieren.

Tropfenmessung

Jede Tinte und jeder Druckkopf-Typ verhält sich anders. Deshalb müssen die Parameter für die Ansteuerung von Druckköpfen für jede neue Tinte abgestimmt werden. Dazu testen und bewerten wir unterschiedliche Parametersätze, indem wir Tintentropfen im Flug fotografieren und analysieren – «Dropwatching» nennt man diesen Vorgang. Dabei untersuchen wir unter anderem, wie sauber sich die Tropfen vom Druckkopf ablösen und ob kleine Nebentropfen («Satelliten») entstehen. Ein am IDT entwickelter Dropwatcher geht automatisch verschiedene Parametersätze durch; die Software wertet die aufgenommenen Bilder aus. So lässt sich durch automatisches Ausprobieren der ideale Parametersatz finden.

Viskositätsmessung

Vor allem im funktionalen Druck haben wir es oft mit Fluiden zu tun, die für einen Druckkopf eher dickflüssig sind. Durch unsere Viskositätsmessung bei verschiedenen Temperaturen lässt sich abschätzen, ob ein Drucken mittels Inkjet überhaupt möglich ist und wie stark das Fluid erwärmt werden muss.

Optische Messung

Industrielle Tinten werden in der Regel mit ultraviolettem Licht gehärtet. Für eine optimale Härtung muss das Spektrum der Härtungslampe auf die jeweilige Tinte abgestimmt sein. Zudem ist die Abstrahlcharakteristik sehr wichtig: Zum einen soll die Leistungsdichte auf dem Drucksubstrat möglichst hoch und gleichmässig sein, zum andern muss verhindert werden, dass Streulicht auf den Druckkopf gelangt und dort zur Aushärtung der Tinte führt. Um diese Kriterien zu bewerten, steht am IDT ein Spektrometer zur Verfügung. Für die Vermessung der Abstrahlcharakteristik lässt er sich auf einen selbst entwickelten Teststand montieren. Dabei scannen wir den Bereich unter der Lampe ab.

Kontaktwinkel

Damit die Tinte optimal haftet, wird das Substrat oft vorbehandelt, z. B. mit Plasma. Indem wir den Kontaktwinkel eines Tropfens messen, können wir das Ergebnis beurteilen.