Multi-Material-3D-Druck mit neuem Extruder verbessert

Der 3D-Druck mit mehreren Materialien wird immer häufiger bei neueren 3D-Druckern, aber es gibt immer noch Probleme, die Schichten mehrerer Materialien richtig zu verkleben. In einem Artikel mit dem Titel “Enhanced Bonding of Immiscible Polymers via Intermixed Co-extrusion in Fused Deposition Modeling” beschreiben zwei Forscher ein Verfahren, das die Haftfestigkeit von mit unähnlichen Materialien 3D-gedruckten Teilen verbessern soll.

“Da die meisten Mehrfachmaterial-FDM-Systeme für jedes Material separate Düsen verwenden, schränkt dies die Möglichkeit ein, echte FGM-Bauteile (“Functionally Graded Material”) zu drucken, da diese Drucker Bauteile mit sehr unterschiedlichen Übergängen von einem Material zum anderen erzeugen”, so die Forscher aus. “Daher sind die mit diesen Multi-Material-FDM-Systemen gedruckten Geräte anfällig für Delaminierung oder andere Arten von Fehlern, wenn sie mechanisch oder thermisch belastet werden, da möglicherweise Materialklebungen auftreten.”

Daher entwickelten die Forscher ein FDM-3D-Drucksystem mit mehreren Materialien und einer einzigen Düse, mit der mehrere Materialien abgeschieden werden können, die die Zusammensetzung während des Druckens kontinuierlich ändern. Sie entwarfen und fertigten ein kundenspezifisches Tri-Extruder-System mit drei inerten Kanälen. Das System kann zum Drucken mit oder ohne Durchmischung verwendet werden, daher ist es in der Lage, mittels nebeneinander Coextrusion und gemischte Coextrusion zu drucken.

Der Tri-Extruder-Kopf besteht aus vier Hauptkomponenten: zwei Führungsbahnen, einer geteilten Schmelzkammer und einer Düse. Die Führungsbahnen verfügen über einen Kühlkörper, der dafür sorgt, dass die Filamente keine Temperatur über ihrer Glasübergangstemperatur erreichen.

„Zwei Einlässe sind in einem Winkel von 45 ° zur horizontalen Ebene von links und rechts in Richtung der Schmelzkammer und der Düse geneigt, und der dritte Einlass ist um 90 ° zur horizontalen Ebene und konzentrisch zur Schmelzkammer und zum Düsenausgang angeordnet. ”Erklären die Forscher. „Der linke und rechte Einlass werden für thermoplastische Materialien verwendet, während der obere Einlass für zukünftige Arbeiten vorgesehen ist. Daher wurde der obere Einlass während der gesamten Arbeit hier mit einer M6-Schraube geschlossen gehalten.“

Der Tri-Extruder wurde auf einem 3D-Drucker von Geeetech installiert. Um die Durchmischung einzuschalten, wird ein statischer Wendelmischer in die Düse eingesetzt, der dann mit der Schmelzkammer verschraubt wird. Wenn die geschmolzenen Polymere durch den Mischer fließen, vermischen sie sich durch chaotische Advektion. ABS und HIPS wurden als Material für die Studie verwendet.

(a) das 3D-Modell und (b) ein Bild des in dieser Studie verwendeten spiralförmigen statischen Wendelmischers.

Die Zugfestigkeiten der nebeneinander gedruckten Teile und der vermischten Teile waren nicht zu unterscheiden, was zeigt, dass die Vermischung die mechanische Festigkeit nicht beeinträchtigt. Die nebeneinander gedruckten Teile spalteten sich jedoch nach Zugversuchen, während die vermischten Teile gleichmäßig über den Querschnitt rissen.

“Tests mit Extrudatproben bestätigen, dass die gemischten Co-Extrudate eine zufällige, aber gut konsistente mechanische Kodierung aufweisen, was zu einer ähnlichen Endfestigkeit von Side-by-Side-Coextrudaten führt”, schließen die Forscher ab. “Noch wichtiger ist, dass die planaren Proben zeigen, dass die Durchmischung die Haftfestigkeit zweier benachbarter abgelagerter Perlen um mehr als 40% verbessert.”

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Vermischung zu einer höheren mechanischen Festigkeit führen kann, solange alle anderen Parameter gleich bleiben. Zukünftige Arbeiten umfassen weitere mechanische Tests und den 3D-Druck von funktional abgestuften Materialien.

Zu den Autoren der Arbeit gehören Mohammad Abu Hasan Khondoker und Dan Sameoto.