Eine der größten Herausforderungen beim 3D-Druck besteht darin, zwischen hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit zu wählen. Kleinere Düsen ermöglichen präzise und detaillierte Drucke, während größere Düsen schnelle Druckergebnisse liefern. Jochen Müller und Seok Won Kang von der Whiting School of Engineering an der Johns Hopkins Universität haben eine adaptive Düse entwickelt, die beides kann, wie sie in einem Video, welches am Beitragsende verlinkt wurde, zeigen. Außerdem findet sich auf der Website der Johns Hokpins University ein Beitrag zu.
Das adaptive Düsenkonzept AN3DP
Die Ingenieure entwickelten die Drucktechnik mit einer speziellen adaptiven Düse namens AN3DP, die ihren Durchmesser und ihre Querschnittsform während des Druckens dynamisch ändern kann. Dies ermöglicht den schnellen Druck komplexer und detaillierter Teile und vermeidet Druckfehler.
Jochen Müller erklärt:
„Traditionelle 3D-Drucker verwenden feste Düsen, die entweder die Auflösung oder die Geschwindigkeit einschränken. Kleinere Düsen verbessern die Auflösung, verlangsamen jedoch den Druck, während größere Düsen die Geschwindigkeit erhöhen, aber die Details reduzieren. Das Design von AN3DP überwindet diese Einschränkungen, indem es sich an die spezifischen Anforderungen jedes gedruckten Merkmals anpasst und sowohl eine hohe Auflösung als auch schnelleres Drucken ermöglicht.“
Inspiration aus der Natur und Technik
Die adaptive Düse AN3DP wurde von den Mechanismen einziehbarer Greifwerkzeuge und Sehnen in Menschen und Tieren inspiriert. Sie verfügt über acht bewegliche Stifte, die durch eine elastische Membran miteinander verbunden sind. Die Stifte werden von Motoren gesteuert, um die Form und Größe der Düse zu ändern, während die Membran einen gleichmäßigen Materialfluss sicherstellt.
Diese Kombination ist entscheidend für die Produktion präziser und komplexer Strukturen, die schnell gefertigt werden können. Im Gegensatz zu anderen variablen Düsen auf dem Markt, die nur ihren Durchmesser ändern können, beeinflusst AN3DP sowohl die Größe der Düse als auch den Querschnitt des Filaments, was eine präzisere Kontrolle des ausströmenden Materials ermöglicht.
Reduzierung des „Minecraft-Effekts“
AN3DP kann derzeit alle Materialien extrudieren, einschließlich Polymere, Hydrogels, Keramiken, Metalle, Verbundmaterialien und sogar biologische Materialien. Sie kann bei Betriebstemperaturen von über 200 °C eingesetzt werden und soll in Zukunft in FFF-Systeme integriert werden, um die Druckqualität erheblich zu verbessern.
Jochen Müller erklärt:
„Einer der Hauptvorteile dieser adaptiven Düse ist ihre Fähigkeit, den ‚Treppeneffekt‘ zu reduzieren. Dieser Effekt, der an die blockigen Figuren im beliebten Spiel Minecraft erinnert, tritt auf, wenn geneigte oder gekrümmte Oberflächen mit festen Düsen gedruckt werden, was zu einer Reihe kleiner, sichtbarer Stufen anstelle einer glatten Oberfläche führt. Durch die Anpassung der Düsenform und -größe während des Druckvorgangs können wir glattere, kontinuierliche Oberflächen schaffen, was die Gesamtqualität der gedruckten Objekte verbessert.“
Weiterentwicklung und zukünftige Anwendungen
Obwohl AN3DP Lösungen für zwei der größten Herausforderungen im 3D-Druck – Genauigkeit und Geschwindigkeit – bietet, gibt es noch Verbesserungsmöglichkeiten. Derzeit muss die Düse manuell angebracht und gereinigt werden, und sie kann nur für einen einzelnen Herstellungsprozess verwendet werden.
Jochen Müller und Seok Won Kang arbeiten daran, diese Einschränkungen zu überwinden und AN3DP zu einer praktikablen Lösung für den alltäglichen und industriellen Einsatz weiterzuentwickeln. Sie sehen Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen, von Luft- und Raumfahrtkomponenten über weiche elektronische Geräte bis hin zu tragenden Balken und Wänden.
Jochen Müller abschließend:
„Ich bin wirklich begeistert von AN3DP und seinen zukünftigen Anwendungen. Seine Flexibilität wird die strukturelle Integrität und Funktionalität gedruckter Objekte verbessern und sie für komplexe technische Anwendungen besser geeignet machen.“
Video
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