Erfahren Sie mehr über das Direct-Ink-Writing (DIW), ein vielseitiges und kostengünstiges 3D-Druckverfahren, das für eine Vielzahl von Materialien und Anwendungen eingesetzt werden kann. Vergleichen Sie es mit anderen additiven Fertigungstechnologien und entdecken Sie die Vor- und Nachteile sowie die Zukunftsperspektiven dieses Verfahrens.
Inhalt:
Definition und Bedeutung
Direct-Ink-Writing (DIW) ist eine additive Fertigungsmethode, die auf der Extrusion von pastösen Materialien basiert und für die Herstellung komplexer 3D-Objekte verwendet wird. Die Technik arbeitet im Meso- und Mikromaßstab und ermöglicht es, verschiedene Materialien wie Kunststoffe, Metalle, Keramik und sogar essbare Materialien zu verarbeiten.
DIW hat in der additiven Fertigung an Bedeutung gewonnen, da es eine kostengünstige, vielseitige und anpassungsfähige Technologie ist, die für eine breite Palette von Anwendungen geeignet ist, von Prototypenbau bis hin zu spezialisierten Anwendungen wie biokeramischen Implantaten und Lithium-Ionen-Batterien. Die Fähigkeit, mit viskoplastischen Materialien und speziell entwickelten Tinten zu arbeiten, verleiht dem DIW-Verfahren einen einzigartigen Vorteil gegenüber anderen 3D-Drucktechnologien.
Einführung in das Direct-Ink-Writing
Das Direct-Ink-Writing (DIW) wird auch als Robocasting, Direct Write Fabrication oder Robot-Assisted Shape Deposition bezeichnet. Es gehört zu den vielseitigsten AM-Fertigungstechnologien. Das Direct-Ink-Writing wurde im Oktober 1997 zum Patent angemeldet. Dabei handelt es sich um eine auf der Extrusion basierende additive Fertigungsmethode, die hauptsächlich im Meso- und Mikromaßstab arbeitet. Die „Tinte“ wird aus kleinen Düsen und mit Hilfe einer überwachten Durchflussrate abgegeben und genau an digital festgelegten Pfaden aufgetragen. So werden die Objekte Schicht für Schicht gefertigt.
Materialien und Tinten für DIW
Das DIW ermöglicht die Fertigung sehr komplexer 3D-Formen aus unterschiedlichen Materialien, die zu einer Paste formuliert wurden. Als besonders herausfordernd wir die Entwicklung viskoplastischer und selbstheilender weicher Tinten, welche unter einer sogenannten Scherung leicht fließen und sich nach der erfolgten Abscheidung schnell erholen, angesehen.
Entwickelt wurde beispielsweise ein supramolekulares Interaktionssystem, welches aus Triethanolamin und Ammoniumoleat besteht und für die DIW-Technologie genutzt wird. In dieses Tintensystem lassen sich eine große Auswahl an Materialien integrieren und später mit dem scherverdünnenden DIW-Verfahren drucken. Zu den Materialien, die integriert werden können, gehören unter anderem Gummi, Kunststoffe, Metall, Verbundwerkstoffe und Keramik.
Optimierung des Feststoffgehalts
Der Feststoffgehalt des Tintensystems liegt bei über 80 Prozent. Man will damit die Bildung poröser Strukturen, aber auch Verziehungen oder andere Maßänderungen nach der Formgebung vermeiden.
Vergleich von DIW mit anderen 3D-Druckverfahren
Insgesamt ist das DIW ein unkompliziertes, reaktionsschnelles und vor allem auch kostengünstiges 3D-Druck-Verfahren, dass sich sogar für essbare Materialien eignet. Besonders gut eignet sich das Verfahren zur Herstellung von Prototypen, die aus einem Hauptmaterial und Additiven bestehen sollen und bei denen man die beste Zusammensetzung herausfinden will. Die Technologie ähnelt dem FDM- bzw. FFF-Verfahren, allerdings ist beim DIW der Prozess vom Verhalten des Ausgangsmaterials abhängig. Von großem Nutzen ist die hohe Viskosität des Materials. Die Gefahr verstopfter Düsen ist beim DIW deutlich geringer als bei anderen Extrusionsverfahren. Bei der Keramikherstellung sind beim Direct-Ink-Writing Entbinderungs- und Sinterungsprozesse notwendig, um so eine Keramik ohne organische Bestandteile zu bekommen. Beim Einsatz keramischer Werkstoffe ist die DIW-Technologie deutlich schneller und günstiger als die Stereolithographie (SLA).
Anwendungsbeispiele für DIW in verschiedenen Branchen
Da das DIW sehr einfach und zugleich flexibel gehandhabt werden kann, war es Forschern möglich, die Technologie zur Fertigung von Objekten mit periodischen Strukturen, aber auch für Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien und für biokeramische Implantate zu nutzen.
Vor- und Nachteile von DIW
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Vielseitige Materialauswahl | Abhängigkeit vom Materialverhalten |
| Kostengünstig | Erfordert Entbinderungs- und Sinterungsprozesse für Keramik |
| Geringere Gefahr verstopfter Düsen | Mögliche Einschränkungen bei der Auflösung |
| Schneller und günstiger als SLA für Keramik | |
| Anpassungsfähig an verschiedene Anwendungen |
Zukunft des Direct-Ink-Writing-Verfahrens
Trotz der vielen Vorteile und der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten des DIW-Verfahrens entwickelt sich die additive Fertigung ständig weiter. Es gibt bereits neuere Verfahren, die auf das DIW aufbauen oder es in bestimmten Anwendungen ergänzen oder ersetzen könnten. Dazu zählen beispielsweise:
- Digital Light Processing (DLP): Ein auf Licht reagierendes Verfahren, das schneller und präziser als DIW arbeiten kann, insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen mit feinen Details.
- Selektives Lasersintern (SLS): Ein pulverbettbasiertes Verfahren, das mit einer breiteren Palette von Materialien, wie Metallen und Kunststoffen, arbeiten kann und oft eine höhere Festigkeit der gedruckten Teile bietet.
Trotzdem wird das DIW-Verfahren auch in Zukunft eine wichtige Rolle in der additiven Fertigung spielen, insbesondere bei der Herstellung von Prototypen und Bauteilen aus viskoplastischen Materialien. Es ist zu erwarten, dass die Entwicklung neuer Materialien und Tinten das Einsatzspektrum des DIW weiter erweitern wird.