Neuer Ansatz für 3D-Druckverfahren spart Material

Ein gemeinsames Forschungsteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Technischen Universität Delft hat eine neue Technik im Bereich des 3D-Drucks vorgestellt. Damit stellen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen Objekte mit verschiedenen Eigenschaften her, obwohl sie nur ein Material verwenden. Sie nennen das Verfahren „geschwindigkeitsmoduliertes Bügeln“ („speed-modulated ironing“).

Das Verfahren basiert auf der Verwendung von zwei Druckdüsen: Die erste Düse trägt das wärmeempfindliche Filament auf, während die zweite, leere Düse über das bedruckte Material fährt und durch gezielte Wärmezufuhr bestimmte Reaktionen aktiviert. Die Geschwindigkeit der zweiten Düse lässt sich steuern. Auf diese Weise können die Forschenden das Material auf spezifische Temperaturen erhitzen und somit Farbe, Farbton und Rauheit des Filaments kontrollieren. Hardware-Modifikationen am 3D-Drucker sind dafür nicht erforderlich.

Die Wärmemenge ist für das 3D-Druckverfahren entscheidend

Die Forschenden entwickelten zunächst ein theoretisches Modell. Es dient dazu, die Wärmemenge vorherzusagen, die von der „Bügel“-Düse auf das Material übertragen wird, abhängig von ihrer Geschwindigkeit. Denn die Hitzeeinwirkung auf den jeweiligen Bereich ist umso größer, je langsamer sich die Wärme abstrahlende Düse bewegt. Dieses Modell diente als Grundlage für eine Benutzeroberfläche, die bei der Eingabe der gewünschten Farb-, Farbton- und Texturspezifikationen automatisch entsprechende Druckanweisungen generiert.

Durch die Variation der Farbe auf einem gedruckten Objekt können mit dem geschwindigkeitsmodulierten Bügeln künstlerische Effekte erzielt werden. Es ist auch möglich, die Struktur anzupassen.

„Unser Ziel ist es, mit einem 3D-Drucker dasselbe zu erreichen wie mit Desktop-Druckern, die durch eine intelligente Kombination weniger Tinten eine Vielzahl von Farbtönen und Texturen erzeugen können. Wir möchten mit einer begrenzten Anzahl von Materialien eine weitaus größere Vielfalt an Eigenschaften für 3D-gedruckte Objekte realisieren“, sagt Mustafa Doğa Doğan, Doktorand am MIT.

Effizienz durch geschwindigkeitsmoduliertes Bügeln im 3D-Druck

Die Forschenden testeten ihren Ansatz mit drei wärmeempfindlichen Filamenten. Das erste, ein schäumendes Polymer mit Partikeln, die sich bei Erwärmung ausdehnen, ergibt unterschiedliche Farbtöne, Transluzenzen und Texturen. Sie experimentierten auch mit einem Filament, das mit Holzfasern gefüllt war, und einem mit Korkfasern, die beide verkohlt werden können, um immer dunklere Farbtöne zu erzeugen.

Durch geschwindigkeitsmoduliertes Bügeln konnten sie Objekte wie teilweise durchsichtige Wasserflaschen und Fahrradlenker mit variierender Rauheit für einen besseren Griff herstellen. Zudem ließen sich feinkörnige Farb- und Texturverläufe erzielen, die mit anderen Techniken nicht möglich waren. Im Vergleich zu konventionellen Multimaterial-3D-Druckverfahren funktionierte die Fertigung ähnlicher Objekte mit der neuen Methode deutlich schneller, energieeffizienter und materialsparender – herkömmliche Drucker wechseln die Materialien, wobei die jeweiligen Reste in den meisten Fällen entsorgt werden.

Potenzial des 3D-Drucks mit geschwindigkeitsmoduliertem Bügeln

Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen mit weiteren thermisch ansprechenden Materialien wie Kunststoffen experimentieren. Zudem möchten sie herausfinden, wie das geschwindigkeitsmodulierte Bügeln genutzt werden kann, um die mechanischen und akustischen Eigenschaften bestimmter Materialien gezielt zu verändern.

Das neue 3D-Druckverfahren birgt aus Sicht der Forschenden enormes Potenzial für verschiedene Anwendungsbereiche in Industrie, Kunst und Design. Da diese Technik im Vergleich zu herkömmlichen Multimaterial-Druckverfahren effizienter ist und Material einspart, könnte sie unter anderem besonders attraktiv sein für die Serienproduktion von individualisierten Produkten.