3D-Metalldruck: Forscher entfernen 3D-Druck-Stützmaterial mit elektrochemischer Substanz

 21. April 2017  Susann Heinze-Wallmeyer  

US-Forscher haben eine Studie vorgestellt, in der sie ein Verfahren vorstellen, bei dem Trägermaterial (Stützstrukturen), die beim 3D-Druck häufig benötigt werden, mit Hilfe einer elektrochemischen Substanzen aufgelöst werden können. Mit dem Verfahren reduzierten die Forscher an einem Fallbeispiel die Kosten für die Nachbearbeitung 3D-gedruckte Objekte um bis zu 70 Prozent.

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Forscher der Pennsylvania State University und der Arizona State University veröffentlichten vor Kurzem einen Artikel, in dem die Möglichkeit, Trägermaterial von 3D-gedruckten Metallteilen aufzulösen, aufgezeigt wird. Erfolgt beim 3D-Druck von granuliertem Metall eine Fokussierung auf die Pulverbett-Fusions-Methode (PBF), reduziert das neue Verfahren die Zeit und den Aufwand für die Entfernung des überschüssigen Materials in erheblichem Umfang.

Edelstahlringe vor und nach der Bearbeitung.
Edelstahlringe mit Stützstrukturen (oben) und nach der Bearbeitung (unten). (Bild: © 3D Printing and Additive Manufacturing Journal)

Die Kosten der Nachbearbeitung machen derzeit etwa 70 Prozent der Gesamtausgaben für 3D-Druckteile aus. Die Forscher berechneten, dass ihre gedruckten Objekte, deren Nachbearbeitung 4 bis 5 Tage dauert, Kosten zwischen 30 und 100 US-Dollar pro Stunde verursachen. Die Nachbearbeitung selbst ist einer der wichtigsten Bereiche für die Optimierung des 3D-Drucks, vor allem dann, wenn es sich um robuste Materialien wie beispielsweise Edelstahl handelt.

Bei der jetzt verwendeten elektrochemischen Bearbeitung verringerte sich die Nachbearbeitungszeit bei den für die Studie hergestellten Objekten auf etwa 32,5 Stunden. Zugleich kann die Behandlung weitgehend unbeaufsichtigt bleiben, da die Teile in einem Bad stehen und die Nachbehandlung mit chemischen Mitteln erfolgt.

Wie funktioniert das Verfahren?

Zu Beginn testeten die Forscher das Konzept durch den 3D-Druck einer Edelstahl-Komponente, die eine zusätzliche Behandlung erfuhr. Die Teile wurden dann in eine chemische Mischung aus Salpetersäure, Salzsäure und deionisiertem Wasser getaucht. Obwohl die 3D-gedruckten Stützen durch diese Mischung erfolgreich aufgelöst wurde, bedurfte es einer manuellen Nachbearbeitung, um die Säure zu stoppen.

Einwirkphasen der elektrochemischen Lösung ohne Sensibilisierung.
Einwirkphasen der elektrochemischen Lösung ohne Sensibilisierung. (Bild: © 3D Printing and Additive Manufacturing Journal).

Um dieses Verfahren zu verbessern, wurde während der Wärmebehandlungs- bzw. Glühstufe ein Sensibilisierungsmittel zugefügt. Dieses Mittel sorgte dafür, dass die ersten 100 bis 200 Mikrometer der Oberfläche empfindlicher auf die verwendeten Chemikalien reagiert. Zugleich wurden die Bedingungen des elektrochemischen Bades modifiziert. Dadurch ist es möglich, dass der Prozess von selbst beendet werden kann.

Verschiedene Einwirkphasen.
Darstellung der Einwirkphasen zur Entfernung der Stützstrukturen. (Bild: © 3D Printing and Additive Manufacturing Journal)

Die Autoren der Studie, welche unter dem Titel „Dissolvable Supports in Powder Bed Fusion-Printed Stainless Steel“ veröffentlicht wurde, erklärten zu ihrer Studie abschließend: „Wir zeigen erstmals, dass Stützstrukturen von PBF-gedruckten Materialien selektiv mit neuartigen Ansätzen entfernt werden können. (…) Dieses elektrochemische Verfahren wird die Komplexität, die Kosten und die Zeit, die mit der Stützentfernung verbunden sind, drastisch reduzieren, indem sie die mühsame Bearbeitung und Schleifvorgänge durch einfache Sensibilisierungs- und Ätzprozesse ersetzen.

Die Studie wurde erstmalig im „3D Printing and Additive Manufacturing Journal, Volume 4, Number 1, 2017“ veröffentlicht. Zu den mitwirkenden Autoren gehören Christopher S. Lefky, David Wright, Brian Zucker, Abdalla R. Nassar, Owen J. Hildreth und Timothy W. Simpson.

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