ETH Zürich druckt leichte stabile Objekte mit FDM 3D-Druckern

FDM 3D-Druck ist eine inspirierendes Fertigungsverfahren das eine große Zukunft hat. Doch es gibt ein Problem: die mechanische Stabilität von so hergestellten Objekte ist oft unzureichend. Die ETH Zürich hat eine mögliche Lösung dafür gefunden.

FDM 3D-Druck wird als eines der Zukunftsverfahren in der Herstellung angesehen. Doch das Verfahren besitzt ein wesentliches Problem: Egal welches Material eingesetzt wird gibt es Probleme bei der Stabilität. Das liegt unter anderem daran das in Schichten gedruckt wird und die einzelnen gedruckten Bahnen leicht auseinanderreisen. Bisher war der einzige Ausweg aus diesem Problem stärkere Druckmaterialien zu verwenden. Je nach Zusatzstoffen und Material wurden die Filamente immer leistungsstärker, das Grundproblem blieb jedoch erhalten. Doch diese Materialien sind teuer und aufwendig in der Herstellung und ein Recycling ist nur schwer möglich.

Although the resulting materials exhibit very high strength and stiffness, the energy- and labour-intensive fabrication process as well as the difficulty to recycle state-of-the-art composites represent major challenges today.

Das Problem haben Forscher der ETH Zürich erkannt und nach einem Ausweg gesucht. Dabei haben konnten sie fast schon etwas evolutionäres erreichen: Ein Verfahren das mit nur einem Material eine höhere mechanische Stabilität erreicht wie andere komplexe Materialien mit Zusatzstoffen.

For the first time, researchers from the Complex Materials group and the Soft Materials group at ETH, were able to print objects from a single recyclable material with mechanical properties that surpass all other available printable polymers and can compete even with fibre-reinforced composites.

Die Forschung über das neue Verfahren wurde inspiriert von Holzfasern und Spinnenweben. Anhand dieser natürlichen Inspiration wurden zwei wesentliche Veränderungen am klassischen FDM Druckverfahren vorgenommen. Als erstes wurde die Ausrichtung während der Extrusion verbessert – durch den Einsatz eines LCP. Dadurch kann eine deutlich höhere Stabilität in der Druckrichtung erreicht werden. Als zweites wurde der Druckpfad selbst optimiert. Durch den richtigen Einsatz von Druckrichtungen kann man so deutlich höhere Stabilität gewährleisten.

This design principle is inspired by the ability of living tissue like wood to arrange fibres along the stress lines developed throughout the loaded structure

Die 3D-gedruckten LCP Strukturen sind im Belastungstest deutlich stabiler wie herkömmliche 3D-gedruckte Strukturen gewesen. Damit könnte dieses Verfahren eine kleine Evolution im FDM 3D-Druck starten, bei der am Ende weniger Composit-Materialien verarbeitet werden und dafür mehr LCP Filamente.