12.12.2017

3D-Druck revolutioniert sich selbst

Der 3D-Druck kündigt seit einiger Zeit einen Wandel der Materialwirtschaft an. Doch haperte es immer noch an einigen Ecken. Zu langsam, zu beschränkt auf wenige Anwendungsfälle. Das könnte sich jetzt ändern. Wichtige Entwicklungsschübe kommen jetzt aus USA – und München.

Revolution im 3D-Druck

Blitzschneller Druck von Bauteilen

Bis zu zehnmal schneller als beim herkömmlichen 3D-Druck – das versprechen sich jetzt Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) von ihrem neuen Desktop-3D-Drucker. Ein neuer Materialvorschub und ein Laser ermöglichen den Druck von Bauteilen innerhalb weniger Minuten. Dafür benötigt ein herkömmlicher 3D-Drucker bislang eine ganze Stunde. Das berichtet die Wissenschaftsplattform „Ingenieur.de“ vorige Woche.

Der FFF-Prozess

Sogenannte Desktop-3D-Drucker finden bequem auf einem Schreibtisch Platz. Sie sind mittlerweile für wenig Geld erhältlich. Diese Drucker fertigen dreidimensionale Objekte. Sie schmelzen Kunststoff in Drahtform, das Filament. Sie drücken es durch eine Düse und legen den geschmolzenen Kunststoff Schicht für Schicht übereinander. Dieser Prozess wird als fused filament fabrication (FFF) bezeichnet. Im Durchschnitt können dem Bericht zufolge diese 3D-Drucker in einer Stunde Objekte mit einem Materialvolumen von rund 20 Kubikzentimetern oder der Größe von ein paar Legosteinen drucken. Die Drucker eigneten sich wegen der langsamen Druckgeschwindigkeit kaum für den breiten kommerziellen Einsatz.

Drei bremsende Faktoren

Das könnte sich mit dem neuen schnellen 3D-Druckers des MIT ändern. Entwickelt haben ihn dort Anastasios John Hart, Professor für Maschinenbau am MIT, und Jamison Go, einem seiner ehemaligen Studenten. Die Wissenschaftler haben drei die Druckgeschwindigkeit begrenzende Faktoren identifiziert:

  • die Bewegung des Druckkopfes beim Druck,
  • die Geschwindigkeit, mit der das Material durch die Düse des Druckers gedrückt wird,
  • die Geschwindigkeit, in der der Druckkopf Wärme übertragen kann, um das Kunststoffmaterial bis zur Fließfähigkeit zu schmelzen.

Schraube statt Klemmrad

In dem MIT-3D-Drucker wird statt wie bei herkömmlichen Geräten der Kunststoff zwischen Klemmräder durch eine Schraube durch die Düse des Druckkopfes gedrückt. Statt eines elektrischen Heizsystems nutzt dieser Drucker einen viel schnelleren Laser für das Schmelzen des Kunststoffes. Für die schnellere Zuführung des zu extrudierenden Kunststoffes entwickelten Hart und Go einen von zwei Motoren angetriebenen Hochgeschwindigkeitsantrieb. Der neue Druckkopf und die schnelle Maschinenkonstruktion ermöglichen dem Bericht zufolge eine Steigerung der Druckgeschwindigkeit beim 3D-Druck um das Zehnfache gegenüber herkömmlichen 3D-Druckern. Komplexe Bauteile können mit dem neuen Drucker statt in einer Stunde binnen fünf bis zehn Minuten fertiggestellt werden. Bei ersten Versuchen wurde der extrudierte Kunststoff so schnell durch die Düse gedrückt, dass eine davor gedruckte Schicht noch geschmolzen war. Durch das noch weiche Material konnte die Geometrie verzerrt und damit das Bauteil unbrauchbar werden. Dieses Problem lösten die Erfinder „schnell und einfach“, so „Ingenieur.de“, durch Einbau einer aktiven Luftkühlung. Die deutlich erhöhte Druckgeschwindigkeit des neuen 3D-Druckers eröffnet neue Möglichkeiten vom mobilen Reparaturservice bis hin zur Notfallmedizin. Zurzeit arbeiten die Forscher daran, die innovative Drucktechnik für weitere Materialien zum Beispiel hochfeste Polymere oder Verbundwerkstoffe anwendbar zu machen. Auch soll es in Zukunft größere Drucker für den 3D-Druck großer Bauteile bis hin zu Möbeln mit der schnellen Drucktechnik geben.

Münchener Start-up-Firma Smart Metal Technologies

Einen Schritt weiter auf dem Weg zur Anwendung in der industriellen Fertigung geht ein jetzt in München vorgestelltes neuartiges Fertigungsverfahren mit dem Namen „Filament Metal Printing“ (FMP). Entwickelt wurde es von der Münchener Start-up-Firma Smart Metal Technologies. Es bietet die Möglichkeit, metallische Bauteile mit hoher Genauigkeit und Oberflächengüte in sehr komplexen Geometrien wirtschaftlich zu fertigen. Ein metallgefülltes Filament wird dabei durch einen speziellen 3D-Drucker zu einem Formkörper verarbeitet und anschließend „gesintert“, ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen. Nach Angaben der Entwickler steht eine große Auswahl an Werkstoffen zur Verfügung. Dabei erziele man eine Genauigkeit von +/- 0,3 Prozent des Sollmaßes und eine Werkstoffdichte von 96 bis 100 Prozent.

Niedrige Rauhtiefe, so glatt wie ein Spiegel

Auch in der Oberflächengüte setzen die Smart Metal Technologies neue Maßstäbe: Die Bauteile zeichnen sich durch eine sehr niedrige Rauhtiefe aus. Nach anschließender Politur erreiche die Oberflächengüte die Qualität optischer Spiegel, wie sie nur in der industriellen Technik Verwendung finden. Durch den Entfall der Werkzeugkosten und die Möglichkeit zur strukturellen Optimierung des Bauteile-Designs sei das Verfahren anderen alternativen Herstellungsformen wie etwa Metall Injection Molding, zerspanende Fertigung, Feinguss oder Laser oder Electron Beam Melting wirtschaftlich fast immer überlegen. Das neu entwickelte 3D-Fertigungsverfahren erlaube die wirtschaftliche Fertigung auch von kleinsten Serien. Bei solchen Losgrößen reduzieren sich den Angaben zufolge Bereitstellungszeiten für Muster oder einen Serienanlauf auf wenige Tage. Auch in der eventuell erforderlichen Endbearbeitung fertige man anspruchsvoll, zuverlässig und auf dem Stand der Technik. Jedes gefertigte Bauteil könne man in mehreren Schritten elektronisch prüfen. Diese Kontrolle enthalte eine Röntgen-Analyse innenliegender Strukturen. Bei großen Serien sei das 3D-Metalldruckverfahren aufgrund erweiterter Bauteilegeometrie eine Alternative zu herkömmlichen Herstellungsformen.

Autor: Oehlerking (Freier Journalist und Experte für Einkauf, Logistik und Transport)