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3D-Druck Neue Verfahren und Werkstoffe zur Additiven Fertigung

| Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Wir stellen einen Carbonfaser-Drucker, eine Methode zum Drucken von Aerogelen und vier neue Materialien für die Additive Fertigung von Bauteilen vor.

Firmen zum Thema

Das neue Carbonfaserverstärkte Nylon ist eine leichte Alternative zu Metall.
Das neue Carbonfaserverstärkte Nylon ist eine leichte Alternative zu Metall.
(Bild: Makerbot)

Carbonfaserverstärktes Nylon im FDM-Verfahren drucken

Maker Bot stellt die Carbon-Fiber-Edition seiner Method-3D-Drucker vor. Das zum Einsatz kommende Filament aus carbonfaserverstärktem Nylon ist für hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit optimiert. Die beheizte Kammer soll die Herstellung stabiler Nylon-Carbonfaser-Teile in Fertigungsqualität mit hervorragender Oberflächengüte ermöglichen. Anwender können laut Maker Bot komplexe Geometrien mit inneren Hohlräumen unter Verwendung des PVA-löslichen Trägermaterials drucken und das Endteil für zusätzliche Festigkeit mit der neuen Temperfunktion aushärten. Strukturelle Anwendungen wie Fahrzeughalterungen, Fertigungswerkzeuge und Anwendungen im Motorraum sind so möglich.

3D-Druck von Aerogelen

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Um zu zeigen, dass sich feine, selbsttragende und überhängende Aerogel-Strukturen im 3D-Druck fertigen lassen, druckten die Forscher eine Lotusblüte.
(Bild: Empa)

Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik und den Bereich der Feinmechanik zugänglich zu machen. Per 3D-Druck haben die Forscher stabile Mikrostrukturen aus Silica-Aerogel hergestellt. Die gedruckten Strukturen können bis zu einem 1/10 mm dünn sein. Die Wärmeleitfähigkeit des Silica-Aerogels liegt bei knapp 16 mW/(m*K). Sie ist damit nur halb so groß wie diejenige von Polystyrol und sogar deutlich kleiner als diejenige einer unbewegten Luftschicht mit 26 mW/(m*K). Mit der inzwischen zum Patent angemeldeten Methode ist es möglich, die Fließ- und Erstarrungseigenschaften der silikatischen Tinte, aus dem später das Aerogel entsteht, exakt einzustellen, sodass sich sowohl selbsttragende Strukturen als auch hauchdünne Membranen drucken lassen. Mit solchen Strukturen ist es laut Empa-Forschern vergleichsweise trivial, auch kleinste elektronische Bauteile voneinander thermisch zu isolieren. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Abschirmung von Wärmequellen im Inneren medizinischer Implantate, die zum Schutz des Körpergewebes eine Oberflächentemperatur von 37 °C nicht übersteigen sollten.

Neuer Werkzeugstahl zum Laserschmelzen von Gusswerkzeugen

(Bild: EOS/Tobias Hase)

EOS erweitert sein Portfolio an Metallwerkstoffen für die additive Fertigung. Der Tool-Steel 1.2709 mit Technology Readiness Level 7 ist ein ultrahochfester und martensitaushärtender Stahl für anspruchsvolle Gussanwendungen. Dieser Werkzeugstahl zeichnet sich durch eine hohe Ermüdungsfestigkeit und verbesserte Polierbarkeit aus. Die Eigenschaften können über verschiedene Wärmebehandlungen nach dem 3D-Druck angepasst werden. Typische Anwendungen reichen vom Kunststoffspritzguss über Ex-trusionswerkzeuge, Heißpresswerkzeuge bis hin zu Druckgusswerkzeugen für Aluminium- und Zinklegierungen. Das Metallpulver ist für die M-290-Systeme von EOS validiert.

Neue Aluminiumlegierung für das Laserschmelzen

Im Laserschmelzen additiv hergestelltes Verbindungselement aus der Aluminiumlegierung Trimal-05-AM.
Im Laserschmelzen additiv hergestelltes Verbindungselement aus der Aluminiumlegierung Trimal-05-AM.
(Bild: Trimet)

Trimet Aluminium stellt mit Trimal-05-AM eine Aluminiumlegierung für das Laserschmelzen vor. Das Pulver wurde speziell für die additive Fertigung von Leichtmetall-Werkstücken im Transportsektor entwickelt. Für den 3D-Druck wird die als Masseln abgegossene Legierung zu Pulver verdüst. Dabei wird das Material verflüssigt und unter hohem Druck zu Metalltropfen zerstäubt, die dann zu sphärischen Pulverpartikeln erstarren. In Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien hat Trimet die Eignung der neuen Legierung für das SLM-Verfahren im 3D-Druck festgestellt. Sie ermöglicht die Herstellung von Serienbauteilen mit höchsten Festigkeiten.

Biokunststoff auf Holzbasis für den FDM-Druck

Die Biopaste, die bei diesem Druckvorgang eines Zylinders verwendet wurde, besteht zu je 50 Prozent aus Lignin und Zellulose.
Die Biopaste, die bei diesem Druckvorgang eines Zylinders verwendet wurde, besteht zu je 50 Prozent aus Lignin und Zellulose.
(Bild: Lisa Ebers/Universität Freiburg)

Einen biologisch abbaubaren Kunststoff auf Holzbasis, mit dem sich komplexe Strukturen im 3D-Druckverfahren herstellen lassen, hat ein Forschungsteam der Universität Freiburg entwickelt. Lignin verstärkt die Zellwände von Pflanzenzellen und bewirkt, dass diese verholzen. In der Papierherstellung bleibt es als Abfallprodukt zurück und wird zum Großteil zur Produktion von Bioenergie verbrannt. In Freiburg forscht man nun nach alternativen Möglichkeiten, um diesen Rohstoff in Zukunft besser nutzen zu können. Herausgekommen ist eine zähflüssige Biopaste, die sich gut verarbeiten lässt, schnell verfestigt und dafür geeignet ist, komplexe Strukturen im 3D-Druckverfahren herzustellen. Das Material besteht einerseits aus Flüssigkristallen auf der Basis von Zellulose. Sie sind neben der Festigkeit für ein gutes Fließverhalten der Biopaste verantwortlich. Der andere Bestandteil ist Lignin, der im Verarbeitungsprozess des Biokunststoffs die
Mikrostruktur „verkleben“ kann. Je nach Ausrichtung wird die Eigenschaft des Biokunststoffs bestimmt.

Nanopartikel ermöglichen 3D-Laserdruck in Farbe

Der Pulver-Rohstoff wird mit unterschiedlichen Nanopartikeln für den laserbasierten 3D-Druck in verschiedenen Farben beschichtet.
Der Pulver-Rohstoff wird mit unterschiedlichen Nanopartikeln für den laserbasierten 3D-Druck in verschiedenen Farben beschichtet.
(Bild: Gökce, CENIDE/UDE)

Die Industrie nutzt seit einigen Jahren 3D-Drucker auf Laserbasis. Allerdings sind die Geräte teuer, groß und drucken nur weiß. Ein Team vom Center for Nanointegration der Universität Duisburg-Essen ermöglicht jetzt erstmals das Lasersintern in Farbe. Dafür verwenden die Forscher Nanopartikel und Diodenlaser. Statt den in der Industrie üblichen CO 2 -Lasern setzen sie auf deutlich günstigere Diodenlaser, wie sie mit niedrigerer Leistung zum Beispiel in CD-Playern vorkommen. Damit es bunt wird, beschichten sie die Pulverkörnchen mit Nanopartikeln aus Silber. Dazu muss man wissen: In den winzigen Dimensionen des millionstel Millimeters haben Materialien mitunter überraschende Eigenschaften. So erscheint Silber gelb, Nanogold hingegen ist rot bis violett. In Kombination mit einem Diodenlaser, dessen Strahlung besonders gut von gelben Objekten absorbiert wird, entstand so der erste laserbasierte 3D-Druck in Farbe. Da die Nanopartikel fest auf der Oberfläche der Pulverkörnchen sitzen und nicht nur hineingemischt sind, ergibt schon eine Prise von ihnen eine gleichmäßige Farbe. Und was mit Silber funktioniert, geht auch mit Nanopartikeln aus anderen Elementen.

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