Wie kann 3D-Druck schneller werden?

Ingenieure vom MIT haben einen Desktop-3D-Drucker entwickelt, der bis zu 10-mal schneller arbeiten soll, als seine heute erhältlichen Pendants. Während viele herkömmliche Geräte für ein paar Teile in der Größe von Legosteinen eine Stunde brauchen, schaffe das neue System dies in wenigen Minuten, so die Entwickler.

Den wichtigsten Bestandteil des Designs bildet der Druckkopf, der zwei neue Komponenten in sich birgt. Für das Tempo sorgen ein Schraubmechanismus der das Polymer mit enormer Kraft durch die Düse drückt und ein in den Druckkopf eingebauter Laser, der das Material schnell erhitzt und zum Schmelzen bringt. So kann das Material schneller durch die Düse fließen. Das Team hat das neue Konzept anhand verschiedener detaillierter 3D-Objekte vorgestellt, wie etwa ein Brillengestell, ein Kegelrad oder eine Miniatur-Replik des MIT-Domes. Diese Objekte entstanden in einigen Minuten.

Anastasios John Hart, Professor für Maschinenbau am MIT, sieht in der Lösung das Potential für verbesserte Fertigungsverfahren. Bekomme man einen Prototypen von einer Klammer oder einem Zahnrad in 5 bis 10 Minuten anstatt einer Stunde oder ein größeres Bautei über die Mittagspause gedruckt und nicht mehr über den ganzen Tag, so könne man schneller entwickeln, fertigen und testen. Ein Mitarbeiter in der Wartung könne den 3D-Drucker im Auto mitnehmen und Ersatzteile on demand ausdrucken, ohne dafür auf das Lager zurückgreifen zu müssen. Hart kann sich auch Anwendungen in der Notfallmedizin vorstellen und für eine Reihe von Einsätzen in abgelegenen Regionen.

Langsamer Fluss

In einem früheren Papier haben Hart und seine Mitarbeiter die Gründe herausgearbeitet, warum die meisten aktuellen 3D-Drucker, die in einem Prozess namens Fused Filament Fabrication Plastikmaterial Schicht für Schicht aufbauen, nicht schneller arbeiten können. Dabei konnten sie feststellen, dass mit dieser Methode durchschnittlich nur 20 Kubikzentimeter in der Stunde aufgebaut werden.

Die Forscher haben drei limitierende Kriterien ermittelt:

• Wie schnell lässt sich der Druckkopf bewegen?
• Mit welcher Kraft arbeitet der Druckkopf, um das Material durch die Düse zu drücken?
• Wie schnell kann der Druckkopf das Material erhitzen und flüssig werden lassen?

In den Griff bekommen

In den meisten Desktop-3D-Druckern wird das Plastik über ein Räderwerk in die Düse eingeleitet, bei dem zwei kleine Räder im Druckkopf rotieren und das Filament zum Ausgang treiben.  Bei geringen Geschwindigkeiten funktioniert das recht gut, aber wenn größere Kräfte einwirken, um den Prozess zu beschleunigen, verlieren die Räder den Zugriff auf das Material.

Deshalb haben die Wissenschaftler diesen Mechanismus durch einen Schraubmechanismus ersetzt, der sich im Druckkopf dreht. Dafür haben sie ein texturierte Plastikfilament auf die Schraube geleitet, die dann in die Oberfläche des Materials eingreifen konnte und es mit deutlich höherem Tempo und mehr Kraft als bisher durch die Düse beförderte.

Unterhalb dieser Konstruktion wurde ein Laser hinzugefügt, der das Filament erhitzt und schmilzt, bevor es die Düse passiert. So lässt sich das Plastik schneller und gründlicher verflüssigen als in konventionellen Druckern, die über die Wärmeleitung erst die Wände der Düsen erhitzen. Beide Lösungen, die Schraube und der Laser, fanden in einem Druckkopf in der Größe einer Computer-Maus Platz.

Darüber hinaus haben die Wissenschaftler einen Gantry-Konstruktion entwickelt, einen H-förmigen Rahmen, der von zwei Motoren angetrieben wird und mit der beweglichen Plattform verbunden ist, die den Druckkopf hält. Die Portalkonstruktion wurde so ausgelegt und programmiert, dass sie sich agile zwischen vielen Positionen und Ebenen bewegen kann. Damit ist der Druckkopf schnell genug, um mit der schnelleren Materialzuführung klar zu kommen.

Eine 3D-Ansicht

Die Entwickler haben mehrere komplexe Bauteile mit dem neuen Gerät gedruckt, und sind dabei auf einen Fehler gestoßen: das Material kam so schnell und mit so hohen Temperaturen auf die Bauplattform, dass eine gedruckte Schicht unter Umständen noch nicht ganz ausgehärtet war, als schon die nächste folgte. Somit erwies sich eine aktive Kühlung als notwendig. Damit und mit der besseren Berechnung der Verfahrwege des Druckkopfs befassen sich die Entwickler momentan. Zudem sollen neue Materialien getestet werden.

Die Entwicklung wurde von der Lockheed Martin Corporation unterstützt.

Bild: Objekte und Testmuster, die mit dem neuen 3D-Drucker des MIT gedruckt wurden. Bild: Chelsea Turner (mit Bildern, die von den Entwicklern bereitgestellt wurden)