Schneller 3D-Druck für die Massenfertigung

Noch ist 3D-Druck eher für Einzelstücke oder kleine Stückzahlen geeignet. Britische Forscher wollen das mit einem neuen Verfahren ändern – und mit einer riesigen Maschine.

Der Erfinder eines neuartigen 3D-Druckverfahrens macht große Versprechungen: Mit seiner Forschungsgruppe will er in den nächsten zwei Jahren eine riesige Maschine bauen, die Plastikteile in großen Mengen und zu günstigen Preisen produziert.

Im Vergleich zu konventionellen Methoden ist es normalerweise sehr langsam, Plastikteile Schicht für Schicht nach digitalen Vorgaben entstehen zu lassen. Aus diesem Grund rechnet sich additive Fertigung oder eben 3D-Druck bislang nur bei kleinen Stückzahlen und Nischenprodukten, etwa für Zahnimplantate oder Gehäuse von Hörgeräten. Mit der neuen Technik könnte sich die Zahl der Teile, die sich wirtschaftlich drucken lassen, jedoch von ein paar Tausend auf einige Millionen erhöhen lassen, zumindest bei kleinen, komplexen Objekten.

Der Vorteil dabei ist, dass 3D-Druck einen deutlich geringeren Materialbedarf bedeutet. Außerdem würden die hohen Kosten für die Einrichtung der Werkzeuge, die bei Spritzguss für komplizierte Formen gebraucht werden, wegfallen. Außerdem eignet sich 3D-Druck besser für die Konstruktion sehr spezieller Architekturen, die zum Beispiel Autos und Flugzeuge leichter und damit effizienter machen könnten.

Neil Hopkinson, Professor für Maschinenbau an der University of Sheffield in Großbritannien, arbeitet seit mehr als einem Jahrzehnt an seiner neuen Methode, die er als Highspeed-Sintern bezeichnet.

Angelehnt ist sein Verfahren an das etablierte Lasersintern. Hier entstehen Objekte, indem ein Punktlaser nacheinander dünne Schichten von Polymeren in Pulverform schmelzen und zusammenfließen lässt. Statt des teuren und langsamen Lasers verwendet Hopkinson jedoch eine Infrarotlampe und einen Tintenstrahl-Druckkopf. Der Druckkopf lässt rasch und präzise Muster von strahlenschluckendem Material im Pulverbett entstehen. Wenn das Pulver dann in Kontakt mit Infrarotlicht gebracht wird, schmilzt es in dieselben Muster. Auf diese Weise lässt die Maschine dünne Schichten entstehen, immer eine nach der anderen – ähnlich wie beim Lasersintern, aber viel schneller.

Im relativ kleinen Maßstab hat Hopkinsons Gruppe schon gezeigt, dass das Verfahren funktioniert. Außerdem hat sie berechnet, dass Highspeed-Sintern bei einem hinreichend großen Gerät und bestimmten Teilen "ungefähr 100-mal schneller" ist als Lasersintern. Laut Hopkinson kann es dadurch bei der gleichzeitigen Produktion von Millionen kleiner, komplexer Teile von den Kosten her mit Spritzguss konkurrieren. Jetzt will die Gruppe die Maschine dafür tatsächlich bauen, finanziert von der britischen Regierung und Industriepartnern.

Highspeed-Sintern können potenziell "sehr schnell" werden, und der Prozess könne in manchen Fällen viel billiger sein als Lasersintern, sagt Phil Reeves, Vice-President für strategische Beratung bei Stratasys, einem bedeutender Anbieter von Maschinen und Materialien für additive Fertigung. Allerdings bedeute die Entwicklung der richtigen Materialien für den Prozess noch viel Arbeit, wenn er auch mit Spritzguss konkurrieren solle: Anhand der von Hopkinson zur Verfügung gestellten Informationen geht Reeves davon aus, dass sich bislang nur relativ wenige Polymere für Highspeed-Sintern eignen. Probleme könne es insbesondere mit industriell eingesetzten Polymeren geben, weil das Pulver bei dem neuen Verfahren mit einem zusätzlichen, lichtabsorbierenden Material kombiniert wird.

Eine weitere Herausforderung könnte in der Kommerzialisierung liegen, sagt Reeves: Hewlett-Packard entwickle eine ähnliche Technologie. Über das HP-System mit der Bezeichnung Multi Jet Fusion ist bislang wenig bekannt. Klar ist jedoch, dass es ebenfalls mit einem Tintenstrahl-Druckkopf arbeitet, der ein strahlenschluckendes Material sowie ein weiteres Material, das als "Detaillierungsmittel" beschrieben wird, verteilt.

Jedenfalls gibt es ein Patent auf Hopkinsons Highspeed-Sintern, und das geistige Eigentum gehört seinem früheren Arbeitgeber, der Loughborough University, die Lizenzen an mehrere Anbieter vergeben hat, darunter die deutsche 3D-Druck-Firma Voxeljet. Laut Hopkinson wird die jetzt entstehende Maschine weitere Materialien verarbeiten können, beispielsweise leitfähige Tinten für das Drucken von Elektronik, das bislang eine große Herausforderung darstellt. "Ich glaube nicht, dass HP schon so etwas plant", sagt er.

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