Lösung für strukturelle Schwachstellen im 3D-Druck
Der Voxel-Interface-3D-Druck (VI3DP) der Johns Hopkins University verwendet einen Druckkopf mit einer Standarddüse, die von vier weiteren Düsen umgeben ist
Nach Angaben der Johns Hopkins University haben Bau- und Systemingenieure ein seit langem bestehendes Problem mit 3D-Druckern in eine multifunktionale Funktion umgewandelt und eine neue Drucktechnik entwickelt, die als Voxel Interface 3D Printing (VI3DP) bekannt ist und die grundlegende Schwäche zwischen den Schichten behebt. Diese Arbeit, die in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, hat das Potenzial, das Verhalten von 3D-gedruckten Objekten individuell zu gestalten.
„Beim 3D-Druck sind Schnittstellen berüchtigt für Schwachstellen“, sagt Jochen Müller, Assistenzprofessor an der Whiting School of Engineering im Fachbereich Civil and Systems Engineering. „Das gedruckte Material haftet entweder zu viel oder zu wenig, was zu strukturellen Schwächen führt. Das ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie Spaghetti nach dem Kochen zusammenkleben, aber leicht wieder auseinanderfallen. Dies führt zu Mängeln, die die Funktionalität von 3D-gedruckten Produkten einschränken.
Um dem entgegenzuwirken, hat das Team eine neue Drucktechnik entwickelt, mit der sie die Schnittstellen zwischen Voxeln – den dreidimensionalen Gegenstücken zu Pixeln – und deren Funktion, einschließlich Eigenschaften wie Haftung, genau steuern können.
VI3DP verwendet einen Druckkopf mit einer Standarddüse, die von vier zusätzlichen Düsen umgeben ist. Während die Standarddüse das Material aufträgt, fügen diese Zusatzdüsen einen dünnen Film eines anderen Materials auf der Oberseite hinzu. Auf diese Weise kann die Schnittstelle zwischen den einzelnen 3D-Druckzeilen sowohl beim Einzel- als auch beim Multimaterialdruck kontrolliert und angepasst werden, wodurch die Notwendigkeit mehrerer Druckköpfe und unnötiger Lücken oder Merkmale in einem Objekt entfällt.
VI3DP ermöglicht nicht nur stabilere Drucke, sondern auch eine Reihe neuer Anwendungen. In der Studie zeigt das Team, wie es optische, mechanische und elektrische Eigenschaften in die Schnittstellen integrieren kann – alles in einem einzigen Druck und ohne Erhöhung von Gewicht, Zeit oder Kosten.
„Das Hinzufügen mechanischer, optischer oder elektrischer Eigenschaften ist bereits mit einigen 3D-Druckverfahren möglich, darunter die Materialextrusion und das Materialstrahlen, aber bei diesen Verfahren müssen die Eigenschaften als ganze Voxel hinzugefügt werden, anstatt als dünne Grenzflächen, die die Voxel umgeben, was den Durchsatz und die Auflösung erheblich verringert. Mit unserer Methode sind diese Eigenschaften bei einem Bruchteil der Voxelgröße möglich, was das Spektrum und die Art der Anwendungen für weiche Materialien erweitert“, so Doktorand Daniel Ames.
„Schnittstellen sind extrem wichtig, weil sie alles ermöglichen können“, sagte Mueller, der Autor der Studie. „VI3DP hat das Potenzial, dünnere Schnittstellen, neue Materialkombinationen und integrierte Funktionen wie komplexe 3D-Schaltkreise, elektromechanische Geräte, in Daten eingebettete Verbundstrukturen und Print-in-Place-Mechanismen mit präzisen Passungen herzustellen.“
Das Team plant, diese potenziellen Verbesserungen in zukünftigen Forschungsarbeiten zu untersuchen. „VI3DP ist eine starke Grundlage für künftige Entwicklungen in der Fertigung. Wir werden in der Lage sein, komplexe Strukturen zu drucken, die bisher nicht möglich waren“, so Ames.
Zu den Mitarbeitern der Studie gehören Sarah Propst, Doktorandin an der Johns Hopkins University, und Aadarsh Shah, Gastschüler an einer High School.
