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In den letzten Jahren hat sich der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, von einer Nischentechnologie zu einer zentralen Methode in zahlreichen Industriebereichen entwickelt. Forschende am FAMU-FSU College of Engineering arbeiten daran, die Werkzeuge und Techniken des 3D-Drucks weiter zu verfeinern, um Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu verbessern.
Professor Tarik Dickens und sein Team widmen sich der Entwicklung multifunktionaler Verbundwerkstoffe. Diese bestehen aus zwei oder mehr Substanzen, die kombiniert werden, um neue Materialien mit speziellen Eigenschaften zu schaffen. Beispiele reichen von einfachen Kombinationen wie Stahlbeton bis hin zu hochentwickelten keramischen Verbundwerkstoffen, die in Strahltriebwerken verwendet werden. Durch die Nutzung neuer Methoden der additiven und digitalen Fertigung zielt Dickens’ Forschung darauf ab, die Eigenschaften dieser Materialien zu optimieren.
„Wir sind dabei, die Schwelle zum ersten Viertel des 20. Jahrhunderts zu überschreiten, und wir werden sehr viel mehr personalisierte Produkte und Strukturen benötigen sowie die Fähigkeit, Strukturen und Geräte im Handumdrehen zu entwickeln“, sagte Dickens. „Es wird nicht mehr so sein wie in den vergangenen 60 Jahren der industriellen Forschung, wo man mehrere Jahre lang mit etwas experimentiert hat. Man muss in der Lage sein, eine erste Idee von etwas zu haben und dann den Prototyp und das Endprodukt in einem zu haben.“
Ein besonderer Fokus liegt auf der Integration von magnetischen Nanopartikeln in den 3D-Druckprozess. Dickens entwickelte ein Gerät, das Nanopartikel während des Druckvorgangs ausrichtet, um die Materialeigenschaften wie Festigkeit zu verbessern. Diese Forschung wird im Rahmen des National Science Foundation’s Centers of Research Excellence in Science and Technology Center Program gefördert.
Durch den Einsatz von magnetischen und nichtmagnetischen Materialien können Drucker Verbundwerkstoffe mit spezifischen Eigenschaften herstellen. Die Ausrichtung der Fasern in eine bestimmte Richtung ermöglicht es, Endprodukte mit gezielten Festigkeitseigenschaften zu erzeugen. In einer Studie, die von Dickens und seinem Team in der Zeitschrift Virtual and Physical Prototyping veröffentlicht wurde, wurden verschiedene Kombinationen von Draht- und Pulvermateralien untersucht.
„Das Ziel ist es, so genannte multimaterielle und multifunktionale Strukturen in der additiven Verarbeitung alltäglich zu machen“, sagte er. „Diese multifunktionalen Strukturen haben unterschiedliche Anwendungen und Endpunkte. Bei diesen Materialien geht es um die Einbettung einiger dielektrischer Eigenschaften und Fähigkeiten, um elektromagnetische Abschirmung und Interferenzen zu ermöglichen. Sie können auch strukturelle Anwendungen haben, um die Struktur, die man zu schaffen versucht, tatsächlich zu verstärken.
Die Fortschritte im Bereich des 3D-Drucks könnten weitreichende Anwendungen haben, von der Herstellung kundenspezifischer Modelle bis hin zu schnellen Prototypen für verschiedenste Industrien. Die Forscher arbeiten daran, die Technologie weiterzuentwickeln und zugänglicher zu machen.
„Was wäre, wenn man jeden Morgen aufwachen und ein neues Auto haben könnte? sagte Dickens. „Ich bin ein Autoliebhaber. Ich würde gerne aufwachen und an einem Tag einen Ferrari fahren und am nächsten einen Maserati. In diesem Sinne ist eine zukünftige Richtung für die additive Fertigung wie der Computer selbst. Wir haben heute in jedem Haushalt einen Computer. Wenn man in jedem Haushalt einen 3D-Drucker hätte, wäre das wie eine Technologie aus ‘Star Trek’.“
Die kontinuierliche Entwicklung im Bereich der additiven Fertigung verspricht, nicht nur die Materialwissenschaften zu revolutionieren, sondern auch die Art und Weise, wie wir Produkte entwerfen und herstellen, grundlegend zu verändern.
