MIT-Forscher entwickeln automatisierte Parametergenerierung für nachhaltige Materialien
In der Welt der additiven Fertigung werden immer mehr Anwendungsbereiche gefunden, sodass damit einhergehend die Drucker-Landschaft sowie die Vielfalt für den 3D-Druck vorhandener Materialien ständig wächst. Angesichts der ständigen Suche nach umweltfreundlicheren Produktionsverfahren haben verschiedene Forschungsprojekte sich in der Vergangenheit wiederholt mit der Verbesserung existierender 3D-Druckmaterialien oder der Erschaffung neuer optimierter Materialien beschäftigt, wie etwa für die Entwicklung eines neuen Metamaterials für die Herstellung von Flugzeug- und Raketenteilen oder eines nachhaltigen Materials auf Nanocellulose-Basis für den 3D-Druck im Bauwesen. Forscher des Center for Bits and Atoms (CBA) am MIT, des U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) sowie des National Center for Scientific Research in Griechenland (Demokritos) haben nun einen 3D-Drucker entwickelt, der eigenständig die Druckparameter für unbekannte Materialien ermitteln kann. Da der 3D-Drucker den Einsatz von erneuerbaren und recycelbaren Materialien erleichtert, deren Eigenschaften vielfältig und schwer zu charakterisieren sind, könnte er Potential für eine nachhaltigere additive Fertigung bergen.
Obwohl der 3D-Druck immer populärer wird, stoßen Hersteller häufig auf Schwierigkeiten beim Recycling der verwendeten Kunststoffe. Auch die Einführung neuer, nachhaltiger Materialien gestaltet sich herausfordernd, da die Druckparameter für jedes Material individuell angepasst werden müssen – ein aufwendiger Prozess, der oft manuell erfolgt. Gewöhnlich erfordert das Drucken mit einem neuen Material die manuelle Einstellung von bis zu 100 Parametern in der Software des 3D-Druckers, um sicherzustellen, dass das Material korrekt extrudiert wird. Bei standardisierten Materialien wie Massenpolymeren existieren zwar bereits etablierte Parameter, die jedoch durch langwierige Versuchsreihen ermittelt wurden. Die Herausforderung bei erneuerbaren und recycelbaren Materialien liegt in ihrer Variabilität, die eine Standardisierung der Parameter nahezu unmöglich macht. Dies führt dazu, dass Benutzer die Parameter für jedes Material individuell konfigurieren müssen.
Bild: MIT
Der von den Forschern entwickelte 3D-Drucker
Um dieses Problem anzugehen, haben die Forscher einen 3D-Drucker entwickelt, der die Parameter für unbekannte Materialien automatisch ermitteln kann. Sie modifizierten den Extruder des Druckers, um Kräfte und Fluss des Materials während des Druckvorgangs zu messen. Die gesammelten Daten aus einem 20-minütigen Test werden in mathematische Modelle eingespeist, um automatisch Druckparameter zu generieren. Diese Parameter können dann in 3D-Drucksoftware übertragen werden, um mit dem unbekannten Material zu drucken. Die automatisch generierten Parameter ersetzen etwa die Hälfte der normalerweise manuell einzustellenden Parameter. In Testdrucken mit verschiedenen Materialien, darunter erneuerbare Materialien, wurden durchweg erfolgreiche Drucke erzielt.
Dieser Fortschritt könnte dazu beitragen, die Umweltauswirkungen der additiven Fertigung zu verringern, die typischerweise auf nicht wiederverwertbare Polymere und Harze aus fossilen Brennstoffen angewiesen ist. Neil Gershenfeld, Leiter des CBA, betont die Bedeutung dieser Arbeit für die Zukunft des 3D-Drucks. Zusammen mit seinen Co-Autoren, darunter Doktorand Jake Read, Chemieingenieur Jonathan Seppala und Postdoc Filippos Tourlomousis, sowie James Warren und Nicole Bakker, wurde die Forschung in der Zeitschrift Integrating Materials and Manufacturing Innovation veröffentlicht. Die Integration dieser automatisierten Prozessparametergenerierung in die 3D-Drucksoftware könnte den Druck mit neuen Materialien weiter vereinfachen. Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, thermodynamische Modelle einzubeziehen, um die Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit der Druckparameter weiter zu verbessern. Dieser Forschungsansatz markiert einen Meilenstein in der computergestützten Messtechnik und wird voraussichtlich auch in anderen Bereichen der Fertigung und Messtechnik Anwendung finden. Mehr Informationen erhalten Sie HIER in der Meldung des MIT.
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*Titelbildnachweis: Green IT Solution
