Forschung 08.12.2017, 09:17 Uhr

Dieser 3D-Drucker stellt Teile in einem Zehntel der Zeit her

Dieser neuartige 3D-Drucker erhöht die Druckgeschwindigkeit deutlich und bringt die Technologie damit dem breiten kommerziellen Einsatz ein Stück näher. Dafür haben die MIT-Forscher drei limitierende Faktoren bisheriger Drucker identifiziert und ersetzt.

3D-Drucker des MIT

MIT-Forscher statteten den neuen 3D-Drucker mit einem neuen Materialvorschub und einem Laser aus. Jetzt kann er die hier zu sehenden Objekte in einem Zehntel der Zeit ausdrucken.

Foto: Chelsea Turner/MIT

Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen neuen Desktop-3D-Drucker entwickelt, der bis zu 10-mal schneller ist als herkömmliche 3D-Drucker. Ein neuer Materialvorschub und ein Laser ermöglichen den Druck von Bauteilen innerhalb weniger Minuten, für die ein herkömmlicher 3D-Drucker eine ganze Stunde benötigt.

Bisherige Desktop-3D-Drucker sind langsam

Sogenannte Desktop-3D-Drucker finden bequem auf einem Schreibtisch Platz und sind mittlerweile für wenig Geld erhältlich. Diese Drucker fertigen dreidimensionale Objekte in dem sie Kunststoff in Drahtform, das Filament, schmelzen, durch eine Düse drücken und den geschmolzenen Kunststoff Schicht für Schicht übereinanderlegen. Dieser Prozess wird als „fused filament fabrication“ bezeichnet. Im Durchschnitt können diese 3D-Drucker in einer Stunde Objekte mit einem Materialvolumen von rund 20 Kubikzentimetern oder der Größe von ein paar Legosteinen drucken. Die Drucker eignen sich wegen der langsamen Druckgeschwindigkeit kaum für den breiten kommerziellen Einsatz.

Schneller 3D-Druck mit neuem Materialvorschub und Lasertechnik

Ausgangspunkt für die Entwicklung des neuen schnellen 3D Druckers durch Anastasios John Hart, Professor für Maschinenbau am MIT, und Jamison Go, einem seiner ehemaligen Studenten, ist eine frühere Forschungsarbeit gewesen, bei der sie die limitierenden Faktoren für die Druckgeschwindigkeit untersucht haben.

Hart und Go konnten bei dieser Arbeit drei Faktoren identifizieren, die die Geschwindigkeit eines 3D Druckers begrenzen. Das ist die Geschwindigkeit, mit der der Druckkopf bewegt werden kann, der Druck und die Geschwindigkeit mit denen das Material durch die Düse des Druckers gedrückt werden kann und die Geschwindigkeit, in der der Druckkopf Wärme übertragen kann, um das Kunststoffmaterial so weit zu schmelzen, dass es fließfähig ist.

Problem Nr.1 – der Materialvorschub

Bei den meisten Desktop-3D-Druckern wird der Kunststoff von einem Klemmrad-Mechanismus durch die Düse des Druckkopfes gedrückt. Zwei kleine, gegenläufige Räder im Druckkopf ziehen das Filament von der Spule und drücken es in die Düse. Dieses Prinzip ist für geringe Druckgeschwindigkeiten ausreichend. Das Problem bei diesem Vorschub ist jedoch, dass die Räder ab einem gewissen Gegendruck den Halt am Material verlieren, sodass der Druck und die Geschwindigkeit, mit dem das Material durch die Düse gepresst werden kann, begrenzt ist.

Das Problem des langsamen Materialvorschubes wurde von den Forschern des MIT gelöst, indem sie das sogenannte Pinchwheel-Design durch einen Schraubenvorschub ersetzt haben. Im Inneren des neu entwickelten Druckkopfes übernimmt eine Schraube die Funktion der beiden Klemmräder. Wenn sich die Schraube dreht, greift sie die texturierte Oberfläche des Filaments und schiebt es in die Düse. Der Vorteil der Schraubenkonstruktion liegt darin, dass durch die wesentlich größere Kontaktfläche mit dem Filament bis zu zehnmal höherer Vorschubgeschwindigkeiten und Drücke erreicht werden können.

Problem Nr.2 – die Schmelzleistung der Druckerdüse

Bei den meisten herkömmlichen 3D-Druckern wird das Kunststoffmaterial in der Druckerdrüse unmittelbar vor dem Druckvorgang von einer außen an der Düse angebrachten elektrischen Heizung geschmolzen. Der Nachteil dieser Technik ist die Trägheit elektrischer Heizsysteme. Hart und Go haben bei ihrem Drucker hinter dem Schneckenvorschub einen Laser hinzugefügt, der das Filament erhitzt und schmilzt, bevor es durch die Düse läuft. Der Laser schmilzt den Kunststoff im Vergleich zu den elektrischen Heizungen herkömmlicher 3D-Drucker schneller und effektiver. Ein weiterer Vorteil ist, dass die zugeführte Wärmemenge über eine Regulierung der Laserleistung und eine schnelle Taktung der Einschaltzeiten des Lasers präzise geregelt werden kann.

Problem Nr.3 – die Geschwindigkeit des Druckkopfes

Beide Neuerungen, sowohl der Schneckenvorschub wie auch der Laser, finden in einem Druckkopf von der Größe einer Computermaus Platz. Damit der 3D-Drucker beim Druckvorgang die schnellere Zuführung des extrudierenden Kunststoffes nutzen kann, entwickelten Hart und Go noch einen von zwei Motoren angetriebenen Hochgeschwindigkeits-Gantry-Antrieb. Der H-förmige Rahmen des Maschinengestells ermöglicht mit einer entsprechend programmierten Steuerung schnelle Bewegungen des Druckkopfes in allen Ebenen des Raumes.

Der neue Druckkopf und die schnelle Maschinenkonstruktion ermöglichen eine Steigerung der Druckgeschwindigkeit beim 3D-Druck um das 10-fache gegenüber herkömmlichen 3D-Druckern. Komplexe Bauteile, für deren Druck ein normaler 3D-Drucker etwa 1 Stunde benötigt, können mit dem neuen Drucker in 5 bis 10 Minuten fertiggestellt werden.

Bei ersten Versuchen zeigte sich jedoch, dass der schnelle Druck auch einen Nachteil mit sich bringt. Der extrudierte Kunststoff wird bei so hohen Kräften und Temperaturen durch die Düse geführt, dass eine gedruckte Schicht noch etwas geschmolzen sein kann, wenn der Drucker bereits die darüber liegende Schicht druckt. Durch das noch weiche Material kann die Geometrie verzerrt und damit das Bauteil unbrauchbar werden. Dieses Problem konnte jedoch durch den Einbau einer aktiven (Luft)Kühlung schnell und einfach behoben werden.

Was bringt die Zukunft für den schnellen 3D-Druck?

Der neue Drucker zeigt das Potenzial der Fused Filament Fabrication, kurz FFF-Drucktechnik. Die deutlich erhöhte Druckgeschwindigkeit des neuen 3D-Druckers eröffnet neue Möglichkeiten vom mobilen Reparaturservice bis hin zur Notfallmedizin. Zurzeit arbeiten die Forscher daran, die innovative Drucktechnik für weitere Materialien zum Beispiel hochfeste Polymere oder Verbundwerkstoffe anwendbar zu machen. Auch soll es in Zukunft größere Drucker für den 3D-Druck großer Bauteile bis hin zu Möbeln mit der schnellen Drucktechnik geben.

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