Purdue University: Eine vierte Dimension für den 3D-Druck

Forscher der Purdue University haben eine patentierbare Methode entwickelt, um Sensorpartikel in Druckfilament einzubetten. Dieses Verfahren soll funktionsfähige 3D-gedruckte Strukturen ermöglichen.

Brittany Newell und Jose M. Garcia-Bravo, außerordentliche Professoren an der School of Engineering Technology des Purdue Polytechnic Institute, und Tyler Tallman, Assistenzprofessor an der School of Aeronautics and Astronautics des College of Engineering, haben ein neuartiges Nassmischverfahren entwickelt, um elektrisch leitfähige Partikel in Filamentpolymere für den 3D-Druck einzubringen. Cole Maynard, der im August seinen Doktortitel erhielt, und Julio Hernandez, ein Doktorand, waren maßgeblich an der Forschung beteiligt.

Beim herkömmlichen 3D-Druck werden Prototypen von Teilen hergestellt, die keine Sensorik besitzen. Die Sensoren müssen erst nachträglich in das Teil eingebaut werden, um eine Bewertung vornehmen zu können. Der Prozess ist vergleichbar mit dem Hinzufügen von Streuseln auf Kekse, nachdem sie gebacken wurden: Die Streusel befinden sich nur auf der Außenseite des Kekses. Herkömmliche folienartige Dehnungsmessstreifen, die am häufigsten verwendeten Dehnungssensoren, werden mit einem Epoxidharz auf die Oberfläche eines gedruckten Teils geklebt, so Newell. Bei dieser Arbeit werden die Streusel jedoch vor dem Backen in den Keksteig eingearbeitet. Das bedeutet, dass die Sensorfähigkeiten ein fester Bestandteil des gedruckten Bauteils sind und eine Messung im Inneren des Bauteils ermöglichen. Im Gegensatz zu Streuseln sind diese Sensoren zu klein, um sie ohne Mikroskop zu sehen. Dank ihrer winzigen Größe kann das gedruckte Bauteil die Festigkeit beibehalten, die es andernfalls durch große eingebaute Sensoren verloren hätte, und dennoch voll integrierte Sensorfunktionen erreichen.

“Normalerweise wenden wir den Dehnungsmessstreifen auf das gesamte Teil oder auf die Ober- und Unterseite des Teils an, um Informationen über die Gesamtbelastung des Teils zu erhalten”, so Newell. “Die mittleren und inneren Strukturen werden jedoch nicht überwacht, da die Messgeräte auf die Oberfläche geklebt werden.

Das Nassmischverfahren von Purdue gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der Partikel im gesamten Filament. Da die Sensoren gleichmäßig im Filament verteilt sind, können Hersteller und Forscher Teile mit einer größeren Vielfalt an Formen entwerfen.

“Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen es Anwendern, komplexe 3D-Strukturen mit eingebetteten Dehnungsmessstreifen zu erstellen, wodurch herkömmliche Prototypen schnell zu voll funktionsfähigen und strukturell bewertbaren Teilen werden”, so Newell. “Eine Einschränkung bei der Anwendung von 3D-gedruckten Teilen war bisher ihre Haltbarkeit. Mit dieser Entwicklung können wir die strukturelle Gesundheit des Teils mit dem in den Druck eingebetteten Sensor kontinuierlich überwachen.”

Tallman sagte: “Diese Methode erzeugt Materialien, die mit sehr guter Gleichmäßigkeit leitfähig sind, was die elektrischen Anwendungen von 3D-gedruckten Teilen und Sensordesigns erheblich erweitert.”

Garcia-Bravo sagte: “Die Materialien sind außerdem abstimmbar, d. h. wir können die elektrischen und mechanischen Eigenschaften anpassen, um den Sensor oder das Teil für eine gewünschte Anwendung zu optimieren.”

Das neuartige Nassmischverfahren ist nicht nur auf die Leitfähigkeit von Sensoren beschränkt.

“Diese Arbeit kann weiter ausgebaut werden, um andere Partikeltypen mit der gleichen Nassmischmethode hinzuzufügen”, so Newell. “Dies könnte die Hinzufügung von magnetischen Partikeln für elektromagnetische Felder, fluoreszierende Partikel und andere Funktionalitäten beinhalten.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Juli-Ausgabe 2022 der Fachzeitschrift Advanced Engineering Materials und in den Ausgaben 2020, 2021 und 2022 der Zeitschrift American Society of Mechanical Engineers Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems veröffentlicht. Die Forscher haben Mittel vom Naval Engineering Education Consortium (NEEC) erhalten, einem Programm der NAVSEA Warfare Centers, das Partnerschaften zwischen der Marine und Hochschuleinrichtungen fördern soll.

Die Forscher haben die Innovation dem Büro für Technologievermarktung der Purdue-Forschungsstiftung offengelegt, die das geistige Eigentum zum Patent angemeldet hat. Industriepartner, die an der Weiterentwicklung dieser Innovation interessiert sind, sollten sich wegen der Referenznummer 69740 an Dhananjay Sewak, dsewak@prf.org, wenden.

Newell sagte, dass Industriepartner gesucht werden, um einen Prozess zu entwickeln, mit dem die Methode vergrößert und weiter getestet werden kann.

“Wir müssen die Chargengröße auf einen industriellen Maßstab erhöhen und den anpassbaren Aspekt dieser Arbeit mit industriellen 3D-Druckern integrieren”, sagte Newell. “Die Bandbreite der Gegenstände, die mit diesen Filamenten hergestellt werden können, ist groß, und es sollten Tests durchgeführt werden, um neue Prototypen zu entwickeln.

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