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Mit schichtweiser Plasmabehandlung die Bauteilfestigkeit beim FDM-Druck erhöhen

Um die Haftung zwischen den einzelnen Lagen beim Fused Deposition Modeling (FDM-3D-Druck) zu verbessern, modifizieren Forschende am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST gezielt die Schichten chemisch mithilfe von Atmosphärendruckplasmen. Dafür werden jetzt Plasmaquellen entwickelt, die in den 3D-Drucker integriert werden können. Mit dem Einsatz einer lagenweisen Plasmabehandlung bereits während des Herstellungsprozesses soll auch gleichzeitig eine Modifikation der Oberfläche in – vorher nicht vorbehandelbaren – Kavitäten ermöglicht werden.

Der Prototyp des Fraunhofer IST enthält aktuell eine miniaturisierte Punktquelle, mit der die gedruckten Oberflächen und Filamente hochaufgelöst modifiziert werden können. Langfristig ist geplant, eine Ringquelle zu verwenden, die um die Düse des 3D-Druckers montiert wird und dadurch eine direkte Behandlung während des Druckprozesses und ohne zeitlichen Mehraufwand erlaubt.

Inline-Messtechnik zur dauerhaften Kontrolle von FDM-Bauteilen

Je mehr die Nachfrage nach additiv gefertigten Bauteilen steigt, umso dringlicher ist eine besser werdende Qualitätskontrolle in der Produktion. Besonders bei großvolumigen 3D-gedruckten Bauteilen sind auftretende Fehler mit hohen Zeiteinbußen verbunden. Beim Fused Deposition Modeling (FDM) weist die Thermografie aufgrund der Kombination der Filamenttemperaturmessung und der großflächigen Abbildung des Druckobjekts große Potenziale auf. Das SKZ entwickelt deshalb eine Inline-Messtechnik basierend auf passiver Thermografie, die eine dauerhafte Kontrolle der mittels FDM-3D-Druck hergestellten Bauteile ermöglichen soll.

Es konnte bereits gezeigt werden, dass sich gezielt erzeugte Fehlermerkmale in den aufgenommenen Temperaturverläufen zuverlässig erkennen lassen. Klassische Fehlermerkmale wie Unterextrusion oder eine schlechte Schichthaftung lassen sich durch Abweichungen in den Abkühlkurven klar von den Referenzschichten unterscheiden. Die generierten Messdaten können anhand klassischer Auswertealgorithmen in fehlerbehaftete und fehlerfreie Bereiche eingeteilt werden und bilden damit die Grundlage eines Datensatzes zum Training eines neuronalen Netzes. Dadurch wird eine Klassifizierung in i.o. und n.i.o. Objekte ermöglicht.

Ein schaltbares 3D-Druck-Material aus Strukturfarben

Den Effekt kennt man von Schmetterlingen oder Opalen: Je nach Lichteinfall schillern die Tiere oder Edelsteine in verschiedenen Regenbogenfarben. Solche sogenannten Strukturfarben verblassen nicht und sind ungiftig. Künstlich konnten diese Farben bisher nur als dünner Film hergestellt werden. Wenn man an dem bunten Materialfilm zieht, Strom anlegt, die Temperatur oder den pH-Wert verändert, ändert er seine Farbe. Das Material ist damit beliebig schaltbar. Die Wandlungsfähigkeit der Strukturfarben wurde bisher nur durch ihre Zweidimensionalität begrenzt. Chemiker der Universität des Saarlandes haben nun Kunststoffpartikel entwickelt, mit denen im 3D-Druck dreidimensionale komplexe Objekte in Strukturfarben gefertigt werden können.

Für Strukturfarbmaterialien kommen Kunststoffpartikel zum Einsatz, die einen harten Kern und eine weiche Schale haben. Diese „perfekten Partikel“ sind allesamt identisch groß und identisch geformt. Sie bestehen in der Regel aus Materialien wie Polystyrol oder Ethylacrylaten. Das Saarbrücker Forschungsteam hat diese Ausgangsmaterialien nun so verändert, dass sie auch im 3D-Druck verarbeitet werden können. Dafür mussten die Fließeigenschaften des pulvrigen Ausgangsstoffes so verändert werden, dass sie die Düsen des Druckers nicht verstopfen und es musste die Temperaturbeständigkeit erhöht werden. Herausgekommen sind Kern-Schale-Partikel, die aus harten Polystyrolkernen und einer vergleichsweise weichen Schale auf Polyalkylacrylatbasis bestehen. Die monodispersen Partikel organisieren sich während des extrusionsbasierten 3D-Drucks selbst zu einer geordneten, dicht gepackten Gitterstruktur, was zu sichtbaren Reflexionsfarben nach Braggs Beugungsgesetz führt. Aus Strukturfarbmaterialien im 3D-Druck hergestellte Objekte könnten beispielsweise als Sensoren für allerlei Messmethoden oder als Fälschungsschutz für Waren dienen.

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