Wie Magnetfelder die Faserausrichtung von 3D-gedruckten Teilen beeinflussen

Forscher des Instituts für Hochleistungsmaterialien der Florida State University und des FAMU-FSU College of Engineering haben kürzlich eine Studie durchgeführt, die zeigt, dass die Verwendung von Magnetfeldern in der Nähe eines 3D-Druckers die Ausrichtung der Fasern im Inneren eines gedruckten Teils verändern kann. Diese Entdeckung eröffnet die Perspektive, noch strapazierfähiger Komponenten zu fertigen. Es ist längst bekannt, dass Kohlenstofffasern zur Festigkeit eines Endteiles beiträgt und somit sehr interessant für die technische Anwendung sein kann.

Seit einiger Zeit wird viel über den 3D-Verbunddruck berichtet, eine Methode, die es ermöglicht, Teile mit einem faserverstärkten Material herzustellen, meistens Kohlenstoff, aber auch Glas oder Aramid. Die Matrix des Teils – oft ein Polymer wie z.B. PLA – werden Fasern unterschiedlicher Länge hinzugefügt, um bessere mechanische Eigenschaften zu erhalten. Mahuparna Roy, ein frisch promovierter Ingenieur, und Tarik Dickens, ein Professor für Industrie- und Fertigungstechnik, haben sich beide mit diesem Thema befasst und entdeckt, dass ein Magnetfeld die Platzierung der Fasern in der Matrix und damit die Endfestigkeit des Teils optimieren kann.

Kohlefaser ist die am häufigsten verwendete Faser beim 3D-Druck

Magnetfeld und 3D-Druck

Das Verfahren wurde als „magnet-unterstütztes Drucken“ bezeichnet: Die Forscher erklären, dass sie ein Magnetfeld direkt neben dem Extruder des Druckers befestigt haben, wodurch sie Teile mit Fasern erzeugen konnten, die orthogonal zur Extrudierrichtung ausgerichtet waren. Normalerweise sind die Fasern, die extrudiert werden, parallel zur Extrusion ausgerichtet. Mahuparna Roy fügt hinzu: „3D-gedruckte Materialien sind an sich nicht fest, da sie nur aus übereinanderliegenden Kunststoffschichten bestehen. Die Lücke in der Welt der Forschung besteht darin, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Mit verbesserten mechanischen Eigenschaften könnte man Lösungen für jede Art von Anwendung schaffen, je nachdem, was diese spezielle Anwendung erfordert“.

Die verschiedenen Tests, die die Wissenschaftler durchgeführt haben, hätten auch analysiert, wie sich Druckgeschwindigkeit, Magnetfeldstärke und Düsenform auf die Fähigkeit zur Änderung der Faserausrichtung auswirken. In der Regel gilt: Je zähflüssiger das 3D-Druckmaterial, desto stärker muss das Magnetfeld sein, um die Magnetfasern neu auszurichten. Eine weitere Folge ist, dass die Fasern umso weniger korrekt neu ausgerichtet werden, je höher die Extrusionsgeschwindigkeit ist. Daher sollte diese Geschwindigkeit kontrolliert werden, um ein besseres Ergebnis zu erzielen.

Mahuparna Roy leitete die Forschung und ist sich sicher, dass Magnetfelder eine Rolle in der Ausrichtung der Fasern spielen können

Mahuparna Roy erklärt zudem: „Es gibt noch viele Lücken hinsichtlich der Materialien, die verwendet werden können, und der Drucker, die in Verbindung mit ihnen verwendet werden können. So erwägen wir beispielsweise die Verwendung von Kunststoffen, die Metallpartikel enthalten. Wir wollen zwei Hauptgruppen von 3D-Druckmaterialien kombinieren, um ein neues Material zu schaffen, das Ihnen zusätzliche Funktionalität für die Herstellung beliebiger Teile bietet.“

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