Adaptive Düse für schnellen und genauen 3D-Druck

Wer die Wahl hat, hat die Qual, heißt es bekanntlich und das trifft auch beim 3D-Druck auf manche Aspekte zu. Entweder man will eine hohe Auflösung erzielen oder aber eine hohe Geschwindigkeit. Es ist tatsächlich herausfordernd, ohne Abstriche beides unter einen Hut zu bekommen. Druckdüsen mit geringem Durchmesser ermöglichen filigrane Details und präzise Drucke, wohingegen größere Düsendurchmesser für ein schnelles Druckresultat sorgen. Ein neuer Ansatz könnte eine Lösung bieten, damit Sie sich in Zukunft nicht mehr zwischen präzise & langsam und schnell & schlampig entscheiden müssen. Jochen Müller und Seok Won Kang von der Whiting School of Engineering der Johns Hopkins Universität haben eine adaptive Düse entwickelt, die beides schafft. Die Resultate des Projekts veröffentlichten sie Anfang Juni in ScienceAdvances.
Sie entwickelten eine Drucktechnik namens mit einer adaptiven Düse – AN3DP -, welche während des Druckens dynamisch ihren Durchmesser und die Querschnittsform ändern kann. Dadurch ist es möglich, schnelle und detaillierte Teile zu drucken. Außerdem sollen Druckfehler vermieden werden. Bei festen Düsen kommt es nämlich häufig zur Über- oder Unterextrusion. Gerade bei Bauteilen, welche sowohl komplexe Details als auch massive Elemente aufweisen, kann es zum Treppeneffekt kommen. Hauptmotivation des Teams war es daher, mittels einer adaptiven Düse den Prozess und die Ergebnisse im 3D-Drucks zu verbessern.

Bild: John Hopkings University
Die Ingenieure ließen sich bei ihrem Ansatz von Mechanismen von Greifwerkzeugen und dem biomimetischen Vorbild von Sehnen bei Tieren und Meschen inspirieren. So verfügt AN3DP über acht bewegliche Stifte, welche durch eine elastische Membran miteinander verbunden sind. Die Stifte werden von Motoren gesteuert, um die Form und Größe der Düse zu verändern, wobei die Membran für einen gleichmäßigen Materialfluss sorgt. Die Kombination aus beweglichen Stiften und elastischer Membran ist entscheidend für die Fertigung von präzisen und komplexen Strukturen, welche überdies auch zügig gefertigt werden können. Auf diese Weise berücksichtigt die Düse Parameter, die bei anderen variablen Düsen oft außer Acht gelassen werden. Variable Düsen finden wir bereits auf dem Markt, häufig können diese zwar ihren Durchmesser verändern, aber keinen Einfluss auf die Querschnittsform des Filaments nehmen. Daher ist es nicht möglich, die Form des austretenden Materials zu steuern. AN3DP hingegen ist so konzipiert, dass sowohl Düsengröße als auch Filament-Querschnitt beeinflusst werden können.
Das liegt neben den Stiften und der Membran auch am konischen Innendesign der Düse. Studien-Autor und Assistenzprofessor an der Fakultät für Bau- und Systemtechnik der Whiting School of Engineering führt die Bedeutung des Designs weiter aus: „Herkömmliche 3D-Drucker verwenden feste Düsen, die entweder die Auflösung oder die Geschwindigkeit begrenzen. Kleinere Düsen verbessern die Auflösung, verlangsamen aber den Druckvorgang, während größere Düsen die Geschwindigkeit erhöhen, aber die Detailgenauigkeit verringern. Das Design von AN3DP überwindet dieses Problem, indem es sich an die spezifischen Anforderungen jedes zu druckenden Merkmals anpasst und so sowohl eine hohe Auflösung als auch einen schnelleren Druck ermöglicht.“
Adaptive Düse merzt Minecraft-Effekt aus
AN3DP kann bisher sämtliche Materialien extrudieren, darunter Polymere, Hydrogele, Keramiken, Metalle, Komposit-Materialien und auch biologische Materialien. Sie übersteht Betriebstemperaturen von über 200° C und soll künftig in FFF-Systeme integriert werden. Dabei kann die Düse dazu beitragen, die Druckqualität bedeutend zu verbessern. „Einer der Hauptvorteile dieser adaptiven Düse ist ihre Fähigkeit, den beim herkömmlichen 3D-Druck häufig auftretenden Treppeneffekt zu reduzieren“, sagt Müller. „Dieser Effekt, der an die blockartigen Figuren im beliebten Spiel Minecraft erinnert, tritt auf, wenn geneigte oder gekrümmte Oberflächen mit festen Düsengrößen gedruckt werden, was zu einer Reihe kleiner, sichtbarer Stufen statt einer glatten Oberfläche führt. Indem wir die Form und Größe der Düse während des Druckvorgangs anpassen, können wir glattere, durchgehende Oberflächen erzeugen und so die Gesamtqualität der gedruckten Objekte verbessern.“
Obwohl AN3DP Lösungen für zwei der hartnäckigsten Herausforderungen im 3D-Druck bietet – Genauigkeit und Geschwindigkeit – bedarf es noch an Verbesserungen. Die derzeitige Schwäche der Düse ist, dass das Design das Anbringen und Reinigen per Hand erfordert. Neben diesem zusätzlichen Aufwand kann die Düse nach derzeitigem Stand auch nur für einen einzigen Herstellungsprozess verwendet werden. Assistenzprofessor Müller und Postdoktorand Kang arbeiten nun daran, das Design so anzupassen, dass diese Einschränkungen behoben werden und AN3DP zu einer praktikablen Lösung ausgebaut wird. Ihr Ziel ist es, mit AN3DP eine attraktive Lösung alltägliche und industrielle Anwendungen anzubieten und die Druck-Resultate in diversen Feldern zu verbessern. Die Anwendungen können von Komponenten für Luft- und Raumfahrt, über weiche elektronische Geräte bis hin zu Strukturträgern und Wänden reichen. Müller zeigt sich optimistisch zum Potential von AN3DP:
Ich bin wirklich begeistert von AN3DP und seinen zukünftigen Einsatzmöglichkeiten. Seine Flexibilität wird die strukturelle Integrität und Funktionalität gedruckter Objekte verbessern und sie für komplexe technische Anwendungen besser geeignet machen.
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