MIT entwickelt 10-fach schnelleren 3D-Drucker

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Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA haben einen neuen Desktop-3D-Drucker entwickelt, der mit 10-fach schnellerer Geschwindigkeit als vergleichbare FFF-Geräte am Markt arbeitet. Möglich macht dies unter anderem ein neu entwickelter Druckkopf mit Schraubmechanismus und eingebautem Laser. 

Der von den Wissenschaftlern entwickelte Druckkopf ermöglicht es ein Objekt in der Größe eines Legosteines in nur wenigen Minuten, anstatt wie vergleichbare 3D-Drucker, in einer Stunde zu drucken. Schlüssel dazu ist ein Schraubmechanismus, der das Filament mit höherem Druck durch die Düse treibt, sowie ein Laser, der das Material schnell erhitzen und schmelzen kann. MIT Associate Professor Anastasios John Hart und seinem Team ist es bereits gelungen erste Testobjekte mit ihrer Entwicklung, genannt Fast FFF, herzustellen, darunter ein Brillenrahmen, ein Kegelzahnrad sowie ein Miniaturmodell des MIT-Gebäudes – alle innerhalb von fünf bis zehn Minuten gedruckt. Laut Hart hat diese Methode das Potential den FFF-3D-Druck zu einer zukünftig besser nutzbaren Technologie weiterzuentwickeln.

„Wenn ich einen Prototypen – zum Beispiel eine Halterung oder ein Getriebe – in fünf bis zehn Minuten anstatt einer Stunden, oder größere Teile während der Mittagspause anstatt bis zum nächsten Tag herstellen kann, beschleunigt dies die Konstruktion, den Bau und die Testphase,“ erklärt Hart.

Nötige Teile deutlich schneller ausdrucken zu können schafft neue Möglichkeiten für Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Notfallmedizin oder für die Nachfrage verschiedenster Teile in abgelegenen Gegenden, so Hart.

In einer vorangegangenen Studie haben Hart und Jamison Go nach Ursachen gesucht, welche die Geschwindigkeit bei den meisten Desktop-3D-Druckern einschränkt. Drei Hauptfaktoren wurden identifiziert: die Reisegeschwindigkeit des Druckkopfs, die Kraft mit der das Material durch die Düse gepresst wird und die Geschwindigkeit mit der der Druckkopf Hitze transferieren kann um das Material zu schmelzen. Anhand dieser Variablen wurde ein neues Druckerkonzept entwickelt, bei dem alle drei Faktoren in einem System verbessert werden konnten.

Zuerst wurde die übliche Filamentzufuhr, bestehend aus zwei kleinen Rädern, durch einen Schraubmechanismus ersetzt. Dabei wird Filament mit strukturierter Oberfläche durch die Drehung des Schrauben mit stärkerer Kraft und höherer Geschwindigkeit in die Düse befördert.

„Mit dem Schraubmechanismus haben wir eine viel größere Berührungsfläche mit der Textur des Filaments,“ erklärt Hart. „Daher erzielen wir eine viel höhere Antriebskraft, die locker 10 Mal so hoch ist.“

Entlang des Schraubmechanismus wurde ein Laser eingebaut, der das Filament erhitzt und zum schmelzen bringt bevor es durch die Düse extrudiert wird. So wird der Kunststoff schneller und gründlicher geschmolzen im Vergleich zu konventionellen Druckköpfen, bei denen die Wärme auf die Düse übertragen wird.

Zu guter Letzt wurde das Gantry Bewegungssystem so neu designed und programmiert, dass sich der Druckkopf zwischen den Positionen und Ebenen schneller bewegen und somit mit der schnelleren Extrusion des Plastiks mithalten kann.

Durch die viel höhere Geschwindigkeit hat sich jedoch ein Problem ergeben. Die vorhergehende Schicht ist meist noch nicht genug abgekühlt bis die nächste aufgetragen wird. Daher muss das Objekt während des Druckvorgangs aktiv gekühlt werden, ansonsten würde es zu Verzerrungen im Design kommen. Dieser Herausforderung widmet sich das Forscherteam derzeit. Zudem werden neue Materialien wie Verbundstoffe und hochfeste Polymere untersucht, die für das schnellere Verfahren geeignet sind.

Fast desktop-scale extrusion 3D printing

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