Faszination Technik Stützstrukturen im Harz-3D-Druck wiederverwenden

Anbieter zum Thema

Massachusetts Institute of Technology

Franke GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie ein neues Verfahren hilft, Stützstrukturen im Harz-3D-Druck wiederzuverwenden.

Im Harz-3D-Druck ermöglichen Stützstrukturen die Fertigung komplexer Geometrien, Überhänge und sehr feiner Details, die während des Druckprozesses sonst zusammenbrechen würden. Zugleich erhöhen sie jedoch den Materialverbrauch, müssen manuell entfernt werden. Dies kann Spuren auf der Bauteiloberfläche hinterlassen und bei unvorsichtigem Vorgehen sogar Schäden anrichten. Hinzu kommt: Einmal entfernt, werden die Stützstrukturen entsorgt und lassen sich nicht wiederverwenden.Ein Forschungsteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein Verfahren entwickelt, um diese Nachteile zu verringern. Mit dem Verfahren lassen sich dieselben Stützstrukturen über mehrere Druckvorgänge hinweg wiederverwenden. Ihre Studie hierzu haben die Wissenschaftler in einer in Additive Manufacturing Letters veröffentlicht.
Statt die Stützen bei jedem Bauteil neu zu fertigen und anschließend zu entsorgen, bleiben sie nahezu unversehrt. Dies erfolgt dank einer dünnen Schicht aus wasserlöslichem Harz, die als Trennstelle zwischen Stützstruktur und fertigem Bauteil dient.

So funktioniert das System

Am Anfang steht ein Satz vorgefertigter Stützstrukturen, die auf ein bestimmtes Bauteil zugeschnitten sind. Nach ihrer Fertigung werden sie über eine kinematische Kopplung auf der Bauplattform montiert. Es handelt sich um einen hochpräzisen Mechanismus, der dafür sorgt, dass sie stets exakt dieselbe Position einnehmen.
Anschließend trägt eine automatisch gesteuerte Nadel eine kleine Menge eines wasserlöslichen, härtbaren Harzes auf die Spitze jeder Stützstruktur auf. Dieses Harz wird mit ultraviolettem Licht ausgehärtet und bildet so eine dünne Trennschicht zwischen der wiederverwendbaren Stütze und dem Bauteil. Die Stützstruktur kommt also nie in direkten Kontakt mit dem Bauteil, sondern ist durch eine Opferschicht von ihm getrennt, die sich später rückstandslos entfernen lässt.Sobald die Trennschicht vorbereitet ist, senkt sich die Plattform in den Harzbehälter ab, und das Bauteil wird mit herkömmlichem Harz gedruckt. Nach den üblichen Schritten der Reinigung und Nachhärtung wandert die Baugruppe in ein mit Wasser gefülltes Ultraschallbad. Dort zersetzt sich die lösliche Trennschicht und gibt das Bauteil nahezu ohne mechanische Krafteinwirkung frei. Währenddessen bleiben die Stützstrukturen unversehrt und stehen für den nächsten Druck bereit.

Libellenflügel als Testobjekt

Um zu überprüfen, ob sich die Stützstrukturen tatsächlich wiederverwenden lassen, druckte das Team vier Modelle in Form eines Libellenflügels, eine besonders heikle Geometrie, da sie feine Rippen aufweist. Nach jedem Druckvorgang wurde das Bauteil durch Auflösen der Trennschicht in Wasser abgenommen und dieselben Stützstrukturen für den nächsten Durchgang vorbereitet. Über die vier Druckzyklen hinweg stellten die Forschenden weder beim Verhalten der Stützstrukturen noch bei der Qualität der entstandenen Bauteile spürbare Veränderungen fest. Zwar setzten sich an den Spitzen einiger Stützen allmählich kleine Rückstände ausgehärteten Harzes ab, doch beeinträchtigten diese die Leistungsfähigkeit des Systems im Rahmen der Versuche nicht. Die Autoren räumen allerdings selbst ein, dass noch untersucht werden muss, wie oft sich die Stützstrukturen tatsächlich wiederverwenden lassen, bevor merklicher Verschleiß einsetzt.
Eine der bemerkenswertesten Erkenntnisse der Studie ergibt sich aus dem Vergleich mit einem marktüblichen 3D-Drucker. Die Forschenden druckten dasselbe Bauteil (den Libellenflügel) auf einer Formlabs Form 4 mit den Standardeinstellungen für Stützstrukturen. Dabei entfielen lediglich 24 Prozent des gesamten Harzvolumens auf das eigentliche Bauteil; die übrigen 76 Prozent wurden für Stützstrukturen verbraucht, die anschließend entsorgt wurden.Beim neuen Verfahren erfüllen die Stützstrukturen weiterhin ihren Zweck, verbraucht wird lediglich die geringe Menge wasserlöslichen Harzes für die Trennschicht. Nach den Berechnungen des Teams entspricht dieses Material etwa 5 Prozent des gesamten Harzverbrauchs pro neuem Druckzyklus.

Buchtipp: Additive Fertigung

Das Buch "Additive Fertigung" beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie und unterstützt Konstrukteure und Entwickler dabei, additive Verfahren erfolgreich in ihren Unternehmen zu implementieren. 


 

Mehr erfahren bei Vogel Fachbuch

Technologie noch im Versuchsstadium

Die Wissenschaftler des MIT betonen selbst, dass sich die Technologie noch in einer experimentellen Phase befindet. Das Verfahren setzt einen Photopolymerisationsdrucker voraus, der eigens in Top-Down-Bauweise arbeitet und über ein automatisiertes System verfügt, das das lösliche Harz vor Druckbeginn präzise auf jede einzelne Stützstruktur aufbringen kann. Auf den meisten marktüblichen Harzdruckern, die auf einer anderen Bauweise beruhen, lässt sich die Methode daher vorerst nicht direkt umsetzen.Dennoch weist die Studie einen interessanten Weg, um eines der zentralen Hindernisse für die Automatisierung des Harz-3D-Drucks zu überwinden. Gelingt es künftigen Forschungsarbeiten, das Verfahren zu vereinfachen und die Lebensdauer der wiederverwendbaren Stützstrukturen zu verlängern, ließen sich Materialabfall und manueller Aufwand deutlich reduzieren – und die harzbasierte additive Fertigung käme stärker automatisierten Produktionsprozessen ein gutes Stück näher.