Materialmix im 3D-Druck

Artikel vom 30. September 2016  

Materialmix im 3D-Druck | Bild: Stratasys

Zahnfüllungen, Fahrradhelme oder Prototypen von Bauteilen – das Spektrum von Dingen, die mit 3D-Druckern gefertigt werden können, wird immer größer. Meist sind diese Teile aus nur einem Material hergestellt.

Um weitere Einsatzbereiche für „gedruckte“ Produkte zu erschließen, werden inzwischen 3D-Drucker entwickelt, die unterschiedliche Werkstoffe in Multi-Material-Bauteilen kombinieren. Im Forschungsprojekt DIMAP* wird ein Verfahren erforscht, mit dem Robotergelenke aus unterschiedlichen Materialien konstruiert und gedruckt werden können. Festo ist in dem Projekt als Anwender beteiligt.

Schicht für Schicht gedruckt

Anstatt ein Werkstück aus einem festen Block zu fräsen, baut man beim 3D-Druck – Bauteile Schicht für Schicht auf. Als Grundlage dient eine 3D-Zeichnung, die mit einem CAD-Programm erstellt wird. Die Software der Anlage zerlegt dieses Modell virtuell in viele einzelne Ebenen, die sie anschließend schrittweise aufbaut. Beim sogenannten PolyJet-Verfahren, das im Projekt DIMAP verwendet wird, werden nun – ähnlich wie beim Tintenstrahldrucker – die Materialien als flüssige Tröpfchen aufgebracht. Eine UV-Lampe härtet die flüssige Schicht anschließend aus. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis das Teil fertig ist.  Neben unterschiedlichen Materialien können auch verschiedene Farben gedruckt werden.

Bild: Stratasys
Bild: Stratasys

Robotergelenk in einem Druckvorgang herstellen

Im Forschungsprojekt DIMAP soll untersucht werden, inwiefern sich keramische, leitfähige, leichte und robuste Materialien für den Druck eines Roboterarms mit integrierten Gelenken eignen. Zum ersten Mal sollen dafür die nötigen Lager, die Kinematik-Strukturen in Leichtbauweise, die pneumatischen Antriebe sowie die Leiterbahnen mit dem PolyJet-Verfahren gedruckt werden. Dabei müssen die Materialien richtig aufeinander abgestimmt werden, weshalb grundlegende Materialforschung der Projektpartner notwendig ist.

Das Ziel ist es, einen möglichst hohen Grad an Funktionsintegration zu erreichen – das heißt, möglichst wenig gedruckte Einzelteile zu haben, um den Montageaufwand gering zu halten. Wenn die Hauptteile des Roboterarms als Multi-Material-Bauteile gedruckt werden, kann weitgehend auf Verbindungselemente wie Schrauben verzichtet werden.

Forschung zu Materialeigenschaften

Zu den Materialien gibt es noch viele offene Fragen, die durch Forschung beantwortet werden müssen. Derzeit gibt es zum Beispiel nur wenige Materialien, die sich überhaupt für das PolyJet-Verfahren eignen. Sie müssen flüssig sein, um durch die Düsen zu fließen, schnell aushärten und je nach Einsatzgebiet unterschiedlichen Belastungen Stand halten. In Roboterarmen müssen sie zum Beispiel Reibung oder Dehnung dauerhaft aushalten, was bisher noch nicht möglich ist. Da die genauen Materialeigenschaften noch weitgehend unbekannt sind, ist dies ein wichtiges Forschungsgebiet für die Weiterentwicklung der 3D-Druckverfahren. Bisher werden Produkte aus dem PolyJet-Druckverfahren hauptsächlich als Design-Prototypen eingesetzt.

Wie das Verfahren funktioniert, erklärt ein Video des Herstellers der 3D-Drucker Stratasys.

Materialmix im 3D-Druck | Bild: Stratasys
Bild: Stratasys

* Der Projektname DIMAP steht für „Novel nanoparticle enhanced Digital Materials for 3D Printing and their applications shown for the robotic and electronic industry”