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

Bei der Herstellung professioneller Espressomaschinen besteht eine der größten Herausforderungen darin, Materialien zu finden, die intensiver Nutzung, konstanter Hitze sowie dem Kontakt mit heißem Wasser und Dampf standhalten, ohne sich zu zersetzen. Über Jahre hinweg griffen Hersteller auf mechanisch bearbeitete Metallkomponenten wie Messing oder Edelstahl zurück; jedoch bringt die Verwendung von Metallen Probleme mit sich, wie Kalkablagerungen – insbesondere bei hartem Wasser – sowie langfristige Korrosion, die sich negativ auf die Qualität und den Geschmack des Kaffees auswirkt und zusätzlich Wartung und Verschleiß der Maschine erhöht.

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

Alternativ wurde der Einsatz von Kunststoffen untersucht, um das Problem von Kalkablagerungen und Korrosion zu verringern; allerdings schränkt die Notwendigkeit, hohen Drücken und Temperaturen über längere Arbeitszyklen standzuhalten, die Auswahl stark ein – nur wenige technische Kunststoffe wie PEEK oder PPSU kommen infrage.

Eines der kritischsten Bauteile ist die Dispersionsplatte von Kaffeemaschinen. Dieses Bauteil ist dafür verantwortlich, heißes Wasser gleichmäßig über dem gemahlenen Kaffee zu verteilen. Das bedeutet, dass es kontinuierlichen Arbeitszyklen bei hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt ist, was es zu einem der am stärksten beanspruchten Teile macht. Zudem steht es in direktem Kontakt mit Wasser und Kaffee, sodass die Verwendung eines ungeeigneten Materials oder die Ansammlung von Kalk oder Oxiden die Qualität, den Geschmack und das Aroma des Kaffees negativ beeinflussen können.

Die Bedeutung des Materials

Traditionell wurden für die Herstellung von Dispersionsplatten hauptsächlich Metalle wie Messing, Edelstahl und eloxiertes Aluminium verwendet.

Unter diesen eignet sich Edelstahl 316L oder 304 am besten, da er korrosionsbeständig, leicht zu reinigen und geschmacksneutral ist. Allerdings sind die Kosten hoch, sodass er Maschinen der Oberklasse vorbehalten bleibt.

Ein weiteres häufig verwendetes Material ist Messing, da dessen Bearbeitung günstiger ist als die von Stahl und es hitzebeständig ist. Es ist jedoch anfällig für Korrosion und Kalkablagerungen und kann Metalloxidpartikel freisetzen, die den Geschmack und die Qualität des Kaffees beeinträchtigen.

Derzeit setzen viele Hersteller im mittleren und unteren Preissegment auf eloxiertes Aluminium für die Herstellung von Dispersionsplatten, da es kostengünstig und widerstandsfähig ist. Wie Messing kann es jedoch Metallpartikel freisetzen, die den Geschmack und die Qualität des Kaffees beeinträchtigen.

Abbildung 2: Dispersionsplatten aus Messing und Edelstahl. Quelle: shadesofcoffee.co.uk.

Auf der Suche nach kostengünstigen, widerstandsfähigen Alternativen, die weder den Geschmack noch die Qualität des Kaffees beeinträchtigen, haben einige Hersteller den Einsatz von technischen Kunststoffen als Ersatz für Metalle in der Produktion von Dispersionsplatten untersucht. Das Hauptproblem bei diesem Ansatz ist, dass günstigere, lebensmittelechte Spritzgusskunststoffe wie Copolyes ter, Polycarbonat oder PVDF nur wenige Arbeitszyklen aushalten, bevor sie sich aufgrund von Temperatur und Druck verformen, während bearbeitete technische Kunststoffe wie PEEK oder PPSU oft teurer sind als bearbeiteter Stahl.

PEN-HF und 3D-Druck: eine einfache, kostengünstige und effiziente Lösung

Im Vergleich zu traditionellen Ansätzen hat ein renommierter Espressomaschinenhersteller eine innovative Alternative bei der Herstellung von Kunststoff-Dispersionsplatten untersucht, mit dem Ziel, ein widerstandsfähiges, langlebiges Produkt zu entwickeln, das den Geschmack und die Qualität des Kaffees nicht beeinträchtigt und gleichzeitig niedrige Produktionskosten beibehält, um es für alle Maschinentypen zugänglich zu machen.

Dazu beauftragte er ein Servicebüro mit der Herstellung von Dispersionsplatten im FFF-3D-Druckverfahren unter Verwendung von PEN-HF, einem Material, das vom Hersteller FLXR Engineering entwickelt wurde.

Abbildung 3: 3D-gedruckte Dispersionsplatte aus PEN-HF. Quelle: FLXR Engineering.

Polyethylennaphthalat (PEN) ist ein Polyester, der dem PET in seiner Zusammensetzung ähnlich ist, jedoch physikalische, mechanische und thermische Eigenschaften aufweist, die ihn Materialien wie Polyamiden, PPSU oder sogar PEEK näherbringen. PEN kann Arbeitstemperaturen von bis zu 170 ºC standhalten, weist eine höhere Zugfestigkeit und Steifigkeit als andere Polyester auf, erreicht Elastizitätsmodule von über 2 GPa, bietet eine bessere Barriere gegen Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit und besitzt hervorragende chemische Beständigkeit sowie Lebensmitteleignung.

Das Material auf die Probe stellen

Um die neuen Dispersionsplatten aus PEN zu bewerten, wurde ein Praxistest durchgeführt, bestehend aus einer Serie von 120 Extraktionen à 30 s mit Wasser bei einer Temperatur zwischen 91 ºC und 96 ºC und einem Druck von 9 bar. Dieselbe Untersuchung wurde auch mit 3D-gedruckten Dispersionsplatten aus PETG, PCTG, PC, PEEK und PVDF sowie mit bearbeiteten Platten aus PPSU durchgeführt.

Nur drei Materialien überstanden die 120 Zyklen ohne Verformung: PPSU, PEEK und PEN-HF. Andere Polyester wie PETG oder PCTG hielten nur 1 bzw. 5 Zyklen aus, während PC kaum 5 Zyklen überstand.

Abbildung 4: Anzahl erfolgreicher Zyklen vor Verformung. Quelle: FLXR Engineering.

Zudem stellten die in PEN-HF gedruckten Teile nicht nur eine funktionale Alternative zu Dispersionsplatten aus PEEK oder PPSU dar, sondern waren auch kostengünstiger – die Kosten sanken um 33 % bis 45 % im Vergleich zu PPSU.

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

Vorteile über die Kosten hinaus

Das neue Herstellungsverfahren mittels 3D-Druck mit PEN-HF ermöglicht nicht nur langlebige, kostengünstige, inerte und korrosionsbeständige Dispersionsplatten, sondern reduziert auch den CO₂-Fußabdruck, sorgt für eine flexiblere Lieferkette und eine größere Optimierungs- und Anpassungsfähigkeit.

PEN-HF erweist sich als wirtschaftliche, effiziente Alternative, die einfacher zu drucken ist als andere, gängigere, jedoch teurere und komplexere technische Materialien. Es erfordert keine industriellen oder Hochtemperatur-3D-Drucker, erfüllt europäische und FDA-Normen für Lebensmittelanwendungen und bietet eine höhere mechanische, thermische und chemische Beständigkeit als jedes andere Material in seiner Preisklasse.