Es gibt heute eine Reihe verschiedener 3D-Druckverfahren. Eines der ältesten und günstigeren ist die Schmelzschichtung oder Fused Deposition Modeling (FDM), die auch von vielen Heim anwendern genutzt wird.
Dabei kommen fadenförmige, thermoplastische Kunst stoffe, sogenannte Filamente, zum Einsatz. Die schmelzfähigen Materialien werden mittels einer Düse aufgebracht. Einem virtuellen Modell folgend wird Schicht für Schicht auf das Werkstück aufgetragen. Wenn er abkühlt, härtet der Kunststoff aus.
Für industrielle Anwendungen fehlt derart gefertigten Bauteilen oft die Belastungsfähigkeit, auch wenn man sich mit verstärkenden Stützstrukturen oder raffinierten Geometrien behilft. Im Rahmen des Projekts Natural3D arbeiten Forscher an einem neuen Ansatz, um die mechanischen Eigenschaften der Objekte zu verbessern: Einerseits sollen die verwendeten Kunststoffe mit speziellen Fasern verstärkt werden. Andererseits soll der Druckvorgang selbst verändert werden, um die Strukturen stabiler zu machen.
Biokunststoffe
"Wir beschäftigen uns besonders mit Werkstoffen und damit, wie man mit diesen frei im Raum drucken kann", resümiert Maximilian Lackner, Masterstudiengangsleiter Internationales Wirtschaftsingenieurwesen an der FH Technikum Wien.
Mit Kollegen und Studierenden arbeitet er bei Natural3D unter anderem mit dem Kompetenzzentrum Holz (Wood K plus) in Linz, wo das Projekt koordiniert wird, mit der Montanuni Leoben und mit der Universität Schanghai – Lackner war mehrere Jahre in China tätig – zusammen. Das Projekt wird von der Förderagentur FFG unterstützt.
Lackner und seine Kollegen verwenden Biokunststoffe wie Polyhydroxybuttersäure (PHB), die aus Zucker, Alkoholen oder Stärke hergestellt werden können. Eine der zentralen Fragen ist, wie etwa Carbonfasern, die diese Kunststoffe verstärken sollen, beim Druckprozess eingebracht werden können.
Die Forscher entwickeln dafür einen Mechanismus, der an der Spitze des Roboterarms angebracht wird, der den 3D-Druck ausführt. Der aufgeweichte Kunststofffaden und das Fasermaterial fließen hier zusammen, um auf das Werkstück aufgetragen zu werden. Dafür muss etwa eine geeignete Schlichte gefunden werden – jene Klebeflüssigkeit, die die hauchdünnen Fasern am Kunststoff haften lässt.
Neue Pfade finden
Um stabilere Strukturen zu generieren, muss der Weg des Druckkopfes neu gedacht werden. Bei konventionellen Geräten erfolgt die Pfadplanung, indem das virtuelle Modell in Scheiben "geschnitten" und Ebene für Ebene aufgetragen wird. Der Roboterarm, der bei Natural3D verwendet wird, ist beweglicher als die üblichen Mechaniken, um das Filament in jede Richtung auftragen zu können.
Im Rahmen des Projekts soll eine eigene Software entstehen, die den Weg des Roboterkopfs auf neue Art plant, sodass stärkere Strukturen entstehen. Sie sollen sich an den erwarteten Kraftflüssen orientieren, denen das fertige Objekt ausgesetzt sein wird. Beispielsweise könnten "Überhänge" geformt werden, indem eine Vielzahl kleiner Dreiecke aneinandergereiht wird.
Die neue Technologie soll schlussendlich anhand zweier Demonstrationsanwendungen erprobt werden. Bisher wurden immerhin bereits die vorderen Schutzkappen für Sicherheitsschuhe mit der neuen Technik ausgedruckt – eine Stelle, wo jedenfalls hohe Stabilität gefragt ist. (Alois Pumhösel, 12.4.2019)