Espresso-Hardware neu gedacht: Eine bessere, 3D-gedruckte Verteilplatte

Bei der Herstellung professioneller Espressomaschinen gehört es zu den größten Herausforderungen, Materialien zu finden, die intensiver Nutzung, ständiger Hitze sowie Kontakt mit heißem Wasser und Dampf standhalten, ohne sich zu verschlechtern. Jahrelang griffen Hersteller auf metallgefertigte Bauteile aus Messing oder Edelstahl zurück. Allerdings bringt der Einsatz von Metall Probleme wie Kalkablagerungen, insbesondere bei hartem Wasser, und langfristige Korrosion mit sich, was die Qualität und den Geschmack des Kaffees negativ beeinflusst und zudem Wartung und Verschleiß der Maschine erhöht.

Bild 1: Professionelle Espressomaschine. Quelle: electroluxprofessional.com.

Als Alternative wurde der Einsatz von Kunststoffen untersucht, um das Problem von Kalkablagerungen und Korrosion zu reduzieren. Die Notwendigkeit, hohen Drücken und Temperaturen während langer Arbeitszyklen standzuhalten, schränkt jedoch die Auswahl kompatibler Kunststoffe stark ein und reduziert sie auf einige technische Kunststoffe wie PEEK oder PPSU.

Eines der Bauteile, das besonders herausfordernd ist, ist die Verteilplatte der Espressomaschinen. Dieses Bauteil ist dafür verantwortlich, das heiße Wasser gleichmäßig auf das Kaffeemehl zu verteilen, was kontinuierliche Arbeitszyklen unter hohem Druck und Temperatur bedeutet und es zu einem der verschleißanfälligsten Komponenten macht. Zudem steht dieses Element in direktem Kontakt mit Wasser und Kaffee, weshalb der Einsatz ungeeigneter Materialien oder die Ablagerung von Kalk oder Oxiden die Qualität, den Geschmack und das Aroma des Kaffees negativ beeinflussen kann.

Die Bedeutung des Materials

Traditionell werden für die Herstellung von Verteilplatten vor allem Metalle verwendet, hauptsächlich Messing, Edelstahl und eloxiertes Aluminium.

Unter diesen Materialien eignet sich Edelstahl 316L oder 304 am besten, da er korrosionsbeständig, leicht zu reinigen ist und weder Geschmack noch Aroma des Kaffees beeinträchtigt. Aufgrund der hohen Kosten ist er jedoch meist nur in hochwertigen Geräten zu finden.

Ein weiteres gebräuchliches Material ist Messing, aufgrund seiner geringeren Bearbeitungskosten im Vergleich zu Stahl und seiner guten Hitzebeständigkeit. Allerdings ist es anfällig für Korrosion und Kalkablagerungen und kann metallische Oxidpartikel freisetzen, die Geschmack und Qualität des Kaffees beeinträchtigen.

Viele Hersteller von mittel- und niedrigpreisigen Geräten setzen derzeit auf eloxiertes Aluminium für die Herstellung von Verteilplatten, aufgrund der niedrigen Kosten und guten Beständigkeit. Wie Messing kann es jedoch metallische Partikel freisetzen, die Geschmack und Qualität des Kaffees beeinflussen.

Bild 2: Verteilplatten aus Messing und Edelstahl. Quelle: shadesofcoffee.co.uk.

Auf der Suche nach wirtschaftlichen, widerstandsfähigen Alternativen, die Geschmack und Qualität des Kaffees nicht beeinträchtigen, haben einige Hersteller technische Kunststoffe als Alternative zu Metallen für die Herstellung von Verteilplatten geprüft. Das Hauptproblem dabei ist, dass günstigere Spritzguss-Kunststoffe, die für den Lebensmittelkontakt geeignet sind, wie Copolyester, Polycarbonat oder PVDF nur wenige Arbeitszyklen aushalten, bevor sie sich aufgrund von Temperatur und Druck verformen, während technische Kunststoffe wie PEEK oder PPSU aus der Bearbeitung oft teurer sind als gefräster Stahl.

PEN-HF und 3D-Druck: eine einfache, wirtschaftliche und effektive Lösung

Im Gegensatz zu traditionellen Ansätzen hat ein renommierter Hersteller von Espressomaschinen eine innovative Alternative zur Herstellung von Verteilplatten aus Kunststoff erforscht, um ein widerstandsfähiges, langlebiges Produkt zu erhalten, das weder Geschmack noch Qualität des Kaffees beeinträchtigt und gleichzeitig kostengünstig genug ist, um für alle Arten von Maschinen zugänglich zu sein.

Dazu hat er die Produktion der Verteilplatten mittels FFF-3D-Druck mit PEN-HF ausgelagert, einem Material, das vom Hersteller FLXR Engineering entwickelt wurde.

Bild 3: 3D-gedruckte Verteilplatte aus PEN-HF. Quelle: FLXR Engineering.

Polyethylennaphthalat (PEN) ist ein Polyester, der in seiner Zusammensetzung PET ähnelt, jedoch physikalische, mechanische und thermische Eigenschaften aufweist, die näher an technischen Materialien wie Polyamiden, PPSU oder sogar PEEK liegen. PEN kann Arbeitstemperaturen von bis zu 170 ºC standhalten, zeigt eine höhere Zugfestigkeit und Steifigkeit als andere Polyester mit einem Elastizitätsmodul über 2 GPa, bietet eine bessere Barriere gegen Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit und besitzt eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit sowie Kompatibilität für den Lebensmittelkontakt.

Materialtests

Zur Bewertung der neuen Verteilplatten aus PEN wurde ein Test unter realen Bedingungen durchgeführt, mit einer Sequenz von 120 Extraktionen von jeweils 30 Sekunden bei Wassertemperaturen zwischen 91 ºC und 96 ºC und einem Druck von 9 bar. Der gleiche Test wurde mit 3D-gedruckten Verteilplatten aus PETg, PCTG, PC, PEEK und PVDF sowie gefrästen Platten aus PPSU durchgeführt.

Nur drei Materialien überstanden die 120 Zyklen ohne Verformung: PPSU, PEEK und PEN-HF. Andere Polyester wie PETg und PCTG hielten nur 1 bzw. 5 Zyklen stand, während PC lediglich 5 Zyklen aushielt.

Bild 4: Anzahl erfolgreich abgeschlossener Zyklen vor Verformung. Quelle: FLXR Engineering.

Darüber hinaus stellten die in PEN-HF gedruckten Teile nicht nur eine funktionale Alternative zu Verteilplatten aus PEEK oder PPSU dar, sondern boten auch einen wettbewerbsfähigeren Preis, der die Kosten im Vergleich zu PPSU um 33 % bis 45 % senkte.

Tabelle 1: Vergleich der Herstellungskosten. Quelle: Filament2Print.com.

Vorteile über die Kosten hinaus

Der neue Herstellungsprozess mittels 3D-Druck mit PEN-HF ermöglicht nicht nur die Herstellung langlebiger, kostengünstiger, inert und korrosionsbeständiger Verteilplatten, sondern führt auch zu einem geringeren CO2-Fußabdruck, einer flexibleren Lieferkette und einer größeren Optimierungs- und Anpassungsfähigkeit.

PEN-HF stellt eine wirtschaftliche, effiziente und leichter zu druckende Alternative zu anderen gängigen, jedoch teureren und schwieriger zu verarbeitenden technischen Materialien dar. Es erfordert keine industriellen oder Hochtemperatur-3D-Drucker, entspricht den europäischen und FDA-Normen für den Lebensmittelkontakt und bietet mechanische, thermische und chemische Widerstandsfähigkeit, die in seiner Preisklasse unerreicht ist.