Der 3D-Druck hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung genommen. Wurden früher Werkstücke im Ganzen hergestellt, ist nun auch eine schichtweise Fertigung möglich. Nun möchten Forscher dazu übergehen, einen 3D-Drucker zu entwickeln, der bereits vorhandene Objekte bedruckt. Dafür haben Forscher jetzt mit der Entwicklung eines neuen 3D-Druck-Systems begonnen.

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University of Portsmouth und Hewlett Packard Labs LogoEine Gruppe britischer Forscher hat vor Kurzem unter dem Titel „3D Printing onto Unknown Uneven Surfaces” ein Forschungspapier veröffentlicht, in dem sie ihre Bemühungen darlegen, ein erschwingliches System zu entwickeln, mit dem es auch möglich ist, auf unebenen Untergründen 3D-gedruckte Objekte herzustellen.

Zu diesem Forscherteam gehören Nils Bausch, Regina Frei und David P. Dawkins von der University of Portsmouth sowie Susanne Klein von Hewlett Packard Labs. Sie erläutern, wie sie ein Prototyp-System mit 3D-Scanning-Funktion entwickeln, den Multiple-Achsen-3D-Druck und ein Verfahren zum Drucken von leitfähigen Tinten oder Sensoren auf flexible oder auch gekrümmte Oberflächen herstellen möchten.

„Es scheint, dass es derzeit keine Lösung für konformes Drucken auf unbekannten unebenen Oberflächen oder für 3D-Objekte in jedem Maßstab gibt“, so die Forscher. Bislang sind im kommerziellen Rahmen nur Aerosol-Strahldrucker erhältlich, die das Bedrucken bekannter unebener Oberflächen ermöglichen. Diese werden zum Drucken elektronischer Schaltungen genutzt, bedürfen einer Umwandlung von Tinten in Aerosole und sind mit Kosten von 250.000 US-Dollar verbunden. Deshalb entschlossen sich die Forscher, eine solche FDM-Maschine selbst zu entwickeln.

Dabei legte das Team für den neuen 3D-Drucker folgende Methodik fest:

  1. Platzieren und befestigen Sie ein unbekanntes Objekt in einem 3D-Drucker,
  2. Scannen Sie dieses Objekt,
  3. Extrahieren Sie die Cloud-Daten,
  4. Kopieren Sie die Cloud-Daten für das zu druckende neue Objekt,
  5. Generieren Sie die Werkzeugwege des 3D-Druckers,
  6. Drucken Sie das neue Objekt.
Prusa i3 mit Modifzierungen.
Die Modifizierungen am Prusa i3 sind farblich gekennzeichnet (Bild © Nils Bausch, David P. Dawkins, Reginae Frei, Susanne Klein; von: sciencedirect.com).

Die Forscher entschieden sich für einen Prusa i3, der mit seinen geringen Kosten und dem Open-Source-Design überzeugt. Letzteres modifizierten sie und bauten eine 7 DOF Maschine ein. DOF steht für Degrees of Freedom. „Der DOF umfasst lineare Bewegungen entlang der XX, YY und ZZ-Achsen sowie Winkelbewegungen in αα, ββ und γγ Richtung“, so die Forscher.

Weitere Modifikationen erfolgten durch den Einbau eines DAVID 3D-Scanners und einer Monochrom-Kamera. Das gewünschte Objekt wird mit einer Greifvorrichtung fixiert und dann gescannt. Die DAVID4-Software verarbeitet die Point Cloud-Daten dann als STL-Datei und exportiert diese in die Software Rhino/Grasshopper. Diese STL-Datei wird dann mit der STL des neuen Objekts kombiniert, welches dann auf das bereits vorhandene Objekt gedruckt wird.

Durch die Überlagerung der beiden Dateien war es den Forschern möglich, den Druckauftrag so auszurichten, dass die erste Schicht des neuen Objekts exakt auf das in den Greifern gehaltene Objekt gedruckt werden konnte. Manchem erscheint dies recht einfach, aber die Forscher mussten viel Arbeitszeit in dieses Projekt investieren, wie dem weiter oben verlinkten Papier entnommen werden kann.

Einschränkungen und Ausblick

„In diesem Stadium des Projektes sind die gescannten Objekte auf einfache Formen beschränkt, um schnelles Prototyping und Präzisionstests zu ermöglichen“, betonen die Forscher. Darüber hinaus gibt es Einschränkungen bei den scannbaren Winkeln und durch die Größe des Druckkopfes, der die Annäherung an konkave Ecken mit scharfen Winkeln behindert. Das Forscherteam möchte erschwingliche Desktop-3D-Drucker entwickeln, die auf jedes Objekt drucken können, egal welche Geometrie dieses aufweist.

Kegel auf Gewebe.
Grafische Darstellung von Kegeln, die auf ein bereits vorhandenes Gewebe gedruckt werden (Bild © Nils Bausch, David P. Dawkins, Reginae Frei, Susanne Klein; von: sciencedirect.com).

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