US-Forschende entwickeln adaptive Düsen für verbesserten 3D-Druck

Ein Team der Johns Hopkins University hat eine neue 3D-Drucktechnik entwickelt, bei der eine Düse verwendet wird, die ihre Größe und Form während des Druckvorgangs ändern kann, um den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Auflösung zu überwinden, der bei herkömmlichen 3D-Druckern mit festen Düsendurchmessern besteht.

Die Forschenden betonen, dass die neue Düse, bekannt als AN3DP, das Drucken einer Vielzahl von Objekten verbessern könnte, von Komponenten der Luft- und Raumfahrt bis hin zu weichen elektronischen Geräten und strukturellen Trägern. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

“Herkömmliche 3D-Drucker verwenden feste Düsen, die entweder die Auflösung oder die Geschwindigkeit begrenzen. Kleinere Düsen verbessern die Auflösung, verlangsamen aber den Druck, während größere Düsen die Geschwindigkeit erhöhen, aber die Detailgenauigkeit verringern. Das Design von AN3DP überwindet dies, indem es sich an die spezifischen Anforderungen jedes zu druckenden Merkmals anpasst und so sowohl eine hohe Auflösung als auch einen schnelleren Druck ermöglicht”, sagte der korrespondierende Autor Jochen Müller, Assistenzprofessor im Fachbereich Bau- und Systemtechnik der Whiting School of Engineering, der zusammen mit Seok Won Kang, einem Postdoktoranden, an dem Projekt arbeitete.

“Einer der Hauptvorteile dieser adaptiven Düse besteht darin, dass sie den Treppeneffekt, der beim herkömmlichen 3D-Druck häufig auftritt, reduziert”, so Müller. “Dieser Effekt, der an die klotzigen Figuren in dem beliebten Spiel Minecraft erinnert, tritt auf, wenn schräge oder gekrümmte Oberflächen mit festen Düsengrößen gedruckt werden, was zu einer Reihe kleiner, sichtbarer Stufen führt, anstatt zu einer glatten Oberfläche. Indem wir die Düsenform und -größe während des Druckprozesses anpassen, können wir glattere, kontinuierliche Oberflächen erzeugen und die Gesamtqualität der gedruckten Objekte verbessern.”

Inspiriert von Mechanismen wie einziehbaren Greifwerkzeugen und Sehnen in Menschen und Tieren, nutzt AN3DP acht bewegliche Stifte, die durch Motoren gesteuert werden, um ihre Form und Größe zu ändern. Eine elastische Membran verbindet die Stifte und sorgt dafür, dass das Material, das aus der Düse austritt, eine glatte Form behält. Diese Kombination aus beweglichen Stiften und elastischer Membran ermöglicht die präzise Produktion hochkomplexer Strukturen.

“Ich bin wirklich begeistert von AN3DP und seinen zukünftigen Anwendungen. Seine Flexibilität wird die strukturelle Integrität und Funktionalität von gedruckten Objekten verbessern und sie für komplexe technische Anwendungen geeigneter machen”, sagte Mueller.

Während AN3DP zwei Hauptprobleme im 3D-Druck löst – Genauigkeit und Geschwindigkeit – gibt es laut dem Team noch Herausforderungen. Zum Beispiel erfordert das aktuelle Düsendesign eine manuelle Montage und Reinigung und kann nur für einen einzigen Fertigungsprozess verwendet werden. Mueller und Kang planen, diese Einschränkungen zu beheben, indem sie das Design weiter verfeinern und an die gängige 3D-Drucktechnik des Fused Filament Fabrication anpassen, um die Anwendungsbereiche zu erweitern.