Forscher aus den USA von der Purdue University haben eine 3D-Druck-Methode entwickelt, in der Filament mit gleichmäßig verteilten Sensoren additiv verarbeitet werden kann. Mit dem so genannten „Purdue-Verfahren“ sollen funktionsfähige, 3D-gedruckte Strukturen hergestellt werden können. Wir stellen das Purdue-3D-Druckverfahren einmal vor.

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Das Purdue-Verfahren, das von Forschern der Purdue University entwickelt wurde, macht mimt 3D-Druck hergestellte Strukturen funktionsfähig. Sensorpartikel werden dabei in Druckfilamente eingebettet und gleichmäßig durch einen FDM-3D-Drucker verteilt. Damit soll die Industrie bei der Herstellung von Funktionsteilen unterstützt werden. Das neuartige Nassmischverfahren entstand in einer Zusammenarbeit mit Forschern der School of Engineering Technology am Purdue Polytechnic Institute und der School of Aeronautics and Astronautics am College of Engineering.

Das Verfahren ermöglicht das Einbringen elektrisch leitfähiger Partikel in 3D-Druck-Filamentpolymeren. In 3D-gedruckte Prototypen, die über Sensorfunktionen verfügen sollen, mussten diese Funktionen bisher erst nachträglich ergänzt werden, um sie bewerten zu können. Die Arbeit der Forscher wurde in einem Artikel mit dem Titel „Effect of Additive Manufacturing on β-Phase Poly(Vinylidene Fluoride)-Based Capacitive Temperature Sensors“ im Fachjournal Advanced Engineering Materials veröffentlicht.

Wie beim Backen von Keksen

Brittany Newell, eine der beteiligten Forscher, zieht einen Vergleich mit dem Backen von Keksen. Kekse bekommen gleichmäßig verteilt die Streusel oben drauf. Ebenso werden bisher gebräuchliche Dehnungssensoren mit einem Epoxidharz auf die Oberfläche eines gedruckten Teils geklebt. Mit dem Purdue-Verfahren werden die Streusel allerdings jetzt vor dem Backen in den Keksteig gegeben und gehen bei der additiven Verarbeitung auch nicht kaputt. Die Sensorfunktionen wird damit inhärenter Bestandteil des gedruckten Bauteils und ermöglichen eine Sensorik im Inneren des Bauteils.

Prozedere vom Polymer zum sensorgeladenen Material
US-Forscher haben eine 3D-Druck-Methode mit Filament entwickelt, das gleichmäßig mit Sensoren geladen gedruckt werden kann (im Bild: Ablauf)(Bild © Purdue University image/Brittany Newell).

Stimmen der beteiligten Forscher

Newell erklärt:

„Im Allgemeinen bringen wir diesen Dehnungsmessstreifen über das gesamte Teil oder an der Ober- und Unterseite des Teils an, um Informationen über die Gesamtdehnung über das Teil zu erhalten. Die mittleren und inneren Strukturen werden jedoch nie überwacht, da die Lehren auf die Oberfläche geklebt werden.“

Die Sensoren sind mit diesem Nassmischverfahren im gesamten Filament gleichmäßig verteilt, wodurch Hersteller und Forscher mehr Formvielfalt beim 3D-Druck von Teilen ermöglicht wird.

Newell sagt weiter:

„Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen es Benutzern, komplexe 3D-Strukturen mit eingebetteten Dehnungsmessstreifen zu erstellen und traditionelle Prototypen schnell in voll funktionsfähige und strukturell bewertbare Teile umzuwandeln. Eine Einschränkung der Anwendung von 3D-gedruckten Teilen bestand in ihrer Haltbarkeit. Mit dieser Entwicklung können wir den strukturellen Zustand des Teils mit dem in den Druck eingebetteten Sensor kontinuierlich überwachen.“

Vorteile und Einsatzmöglichkeiten

Materialien sind durch diese Methode sehr gut gleichmäßig leitfähig und erweitern die elektrischen Anwendungen von 3D-gedruckten Teilen und Sensor-Designs erheblich. Die Materialien sind auch abstimmbar, wodurch Entwickler elektrische und mechanische Eigenschaften anpassen können, um den Sensor oder das Teil für eine gewünschte Anwendung zu optimieren.

Die Forscher sehen noch mehr Potenzial als die Leitfähigkeit betreffend. Auch andere Partikeltypen könnten sich mit derselben Nassmischmethode hinzufügen lassen. Das kann die Zugabe von magnetischen Partikeln für elektromagnetische Felder, fluoreszierende Partikel und andere Funktionalitäten umfassen.

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