US-Forscher der Texas A&M University haben nach einer Möglichkeit gesucht die Schwachstellen von 3D-gedruckten Kunststoffobjekten zu verbessern. Dabei haben sie eine Methode entwickelt die einzelnen Schichten beim FDM-3D-Druck besser miteinander zu verbinden. Die Ergebnisse der Studie wurden in einem Fachmagazin veröffentlicht und in diesem Artikel zusammengefasst.

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Texas A&M University LogoForscher der Texas A&M University haben einen Weg gefunden, mechanisch schwache 3D-gedruckte Teile aus Kunststoff zu verbessern. Die Schwäche ergibt sich den Forschern zufolge daraus, dass die Verbindungen zwischen den einzelnen gedruckten Schichten oft unvollständig sind. Die Methode kombiniert Plasmawissenschaft und die Kohlenstoffnanoröhrentechnologie mit dem 3D-Druck, wie sie in einer Pressemitteilung erklären. Leichte aber starke Strukturen sind Forschern der ETH Zürich mit Flüssigkristallpolymeren und FDM-3D-Druckern gelungen.

Nachteile beim FDM-3D-Druck

Das Team um Associate Professor in der Abteilung für Chemieingenieurswesen Micah Green wollte unzureichende Verbindungen zwischen gedruckten Schichten verbessern. Bei FDM-3D-Druck wird geschmolzener Kunststoff aus der Düse gedrückt und Schicht für Schicht übereinandergelegt. Kühlen die Schichten ab, verschmelzen sie zum 3D-gedruckten Objekt. Studien zeigen, dass die Schichten nicht perfekt verbunden werden. Das Objekt könnte noch mal erhitzt werden, was aber dazu führen kann, dass das Teil verzogen wird und seine Form verliert. Mit der neu entwickelten Methode wurden die einzelnen Kunststoffschichten, die beim FDM-3D-Druck entstehen, besser miteinander verschweißt.

Schema der Randbedingungen
Das Schema zeigt die Randbedingungen für die Simulation eines 3D-gedruckten Teils (Bild © Screenshot aus der Veröffentlichung bei Nanoletters).

Details zur Methode

Die Forscher beschichteten die Oberfläche jeder Schicht mit Kohlenstoffpartikeln, die als Reaktion auf elektrische Ströme erwärmen. Die Kohlenstoffnanoröhrenbeschichtungen lassen sich mit elektrischen Strömen erhitzen, wodurch sich die gedruckten Schichten verbinden konnten. Die Ströme überwinden einen winzigen Luftraum zwischen dem Druckkopf und dem 3D-gedrucktem Bauteil, damit beim 3D-Druck Elektrizität angelegt werden kann. Der Luftspalt könnte mithilfe von Metallelektroden, die das gedruckte Teil direkt berühren, überbrückt werden. Das könnte jedoch das Objekt beschädigen.

Temperatur zwischen Schichten
Die Forscher beschichteten die Oberfläche jeder Schicht mit Kohlenstoffpartikeln, die als Reaktion auf elektrische Ströme erwärmen (Bild © Screenshot aus der Veröffentlichung bei Nanoletters).

Um einen Strahl geladener Luftpartikel oder Plasma zu erzeugen, der eine elektrische Ladung auf die Oberfläche des gedruckten Teils transportieren könnte, arbeiteten die Forscher mit David Staack, Associate Professor in der Abteilung Maschinenbau, zusammen. Elektrische Ströme können so durch das Teil fließen, die Nanoröhren werden erhitzt und die Schichten schweißen zusammen. Die Forscher stellten bei Tests fest, dass die Festigkeit gestiegen ist und nun an die eines Formteils herankommt.

„Mit unserer Technologie können Benutzer jetzt ein benutzerdefiniertes Teil wie eine individuell zugeschnittene Prothese drucken, und dieses wärmebehandelte Teil ist viel stärker als zuvor.“

Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurde im Fachmagazin Nano Letters mit dem Titel „Dielectric Barrier Discharge Applicator for Heating Carbon Nanotube-Loaded Interfaces and Enhancing 3D-Printed Bond Strength“ veröffentlicht.

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