Das ORNL kombiniert Extruder zu großformatigen 3D-Druckern
Forscher aus Oak Ridge entwickeln ein neues Düsendesign, das mehrere Druckströme zusammenführt, dabei die Präzision gewährleistet und die Herstellung von Bauteilen aus mehreren Materialien ermöglicht
Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben ein Extrusionssystem entwickelt, das mithilfe speziell konstruierter Düsen mehrere 3D-Druck-Extruder zu einem einzigen Hochleistungsstrom vereint.
Das System zielt darauf ab, den seit langem bestehenden Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Präzision in der großformatigen additiven Fertigung zu überwinden. Es erreicht die Leistung größerer Extruder, behält dabei jedoch die Flexibilität und Präzision kleinerer Extruder bei und bietet zudem die Möglichkeit, mehrere Materialien gleichzeitig innerhalb einer einzigen Schmelzraupe zu drucken.
Großformatige Extruder, die in der additiven Fertigung zum Einsatz kommen, sind schwer und erfordern teure, hochbelastbare Portalkrane oder Roboter für den Betrieb. Bei geringer Ausstoßleistung kann ihre Präzision nachlassen, was zu einem ungleichmäßigen Materialfluss führt, der den Druck sowohl kleiner Bauteile als auch größerer, sich verjüngender Konstruktionen erschwert; zudem müssen die Druckgeschwindigkeiten oft reduziert werden, um hitzebedingtes Verziehen und Versagen zu verhindern.
Das System des ORNL ermöglicht es den Bedienern, kleinere Extruder ohne Qualitätsverlust ein- oder auszuschalten und mit mehreren Materialien in einem Durchgang zu drucken, ohne die Ausrüstung austauschen zu müssen.
„Indem dieses System es ermöglicht, dass kleinere Extruder die Leistung größerer Systeme erreichen, ohne durch zusätzliches Gewicht belastet zu werden – und indem es eine beispiellose Multimaterial-Extrusion innerhalb des Druckstrangs ermöglicht –, ist es bereit, die extrusionsbasierte additive Fertigung neu zu definieren“, sagte Halil Tekinalp, leitender Forscher des Projekts am ORNL.
„Diese Fortschritte werden dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit der US-amerikanischen Fertigungsindustrie zu stärken und den Zugang zu modernsten Produktionstechnologien zu erweitern.“
So funktioniert es
Das System basiert auf zum Patent angemeldeten Düsenblöcken aus Aluminiumbronze, die aufgrund ihrer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit ausgewählt wurden. Im Inneren jedes Blocks vereinigen sich die geschmolzenen Polymerströme aus zwei parallelen Extrudern zu einem einzigen, wodurch sich die Durchflussrate im Vergleich zu einem einzelnen Extruder konstant verdoppelt; laut den Forschern könnten zusätzliche Ströme diesen Wert sogar verdreifachen oder vervierfachen.
Eine separate Kern-Mantel-Düse erzeugt Schmelzstränge, bei denen ein Material ein anderes umhüllt. Dadurch lassen sich Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften präzise in einem einzigen Schmelzstrang kombinieren, anstatt sie als separate Teile zu drucken.
Mögliche Anwendungsbereiche
Die Präzision bei der Verarbeitung verschiedener Werkstoffe ermöglicht es, Teile herzustellen, die unterschiedliche Eigenschaften in einem einzigen Bauteil vereinen, so die Forscher. Zu den Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt zählen unter anderem crashsichere oder radarabsorbierende Verkleidungen, während im Energiebereich flammhemmende Gehäuse und leichte, modulare Gehäuse für Batterieständer oder thermische Systeme in Frage kommen.
Anwendungen im Verteidigungsbereich reichen potenziell von leichten Schutzunterkünften bis hin zu Schutzverkleidungen, während zivile Einsatzbereiche unter anderem verstärkte Brückenfahrbahnen, Stoßstangen für Autos und Bootsrümpfe umfassen.
