3D-Drucker verarbeiten mehrere Materialien in einem Durchgang
Für den 3D-Druck war es lange Zeit der Heilige Gral: Unterschiedliche Materialien gleichzeitig drucken. Nun zeigen die Ersten, wie es geht.
Leichtbauweise für die Luftfahrt von 9TLabs. Die diagonalen Streben sind nicht schichtweise aufgebaut worden - dann wären sie nicht stabil genug -, sondern am Stück von einem Druckkopf im gewünschten Winkel.
(Bild: 9TLabs)
Dutzende Kunststoffe und Metalllegierungen, Gummi, Glas, Keramik, lebende Zellen, Schokolade oder Pizzateig – die Liste der Materialien, die 3D-Drucker mittlerweile verarbeiten können, ist beeindruckend. Doch das reicht Konstrukteuren nicht: Viele Dinge lassen sich nur durch die richtige Kombination mehrerer Materialien herstellen. Flugzeugtragflächen etwa bestehen aus Carbonfasern und Kunstharz, die Spulen eines Elektromotors aus Eisenkern, Kupferdraht und Isolierung. Eine neue Generation von 3D-Druckern fertigt solche komplexen Bauteile mittlerweile in einem einzigen Arbeitsgang, wie Technology Review in seiner aktuellen Ausgabe 05/18 berichtet.
Einer der Vorreiter ist Markforged, ein Spin-off des Massachusetts Institute of Technology. Es hat sich auf faserverstärkte Kunststoffe spezialisiert. Die Königsklasse mit der höchsten Festigkeit bilden solche mit Endlosfasern. Doch diese sind naturgemäß schwierig zu handhaben. Markforged hat das Problem gelöst, indem es die Verstärkungsfasern von einer Rolle über eine eigene Düse ausbringt. Eine zweite Düse trägt geschmolzenen Kunststoff auf, der die Fasern einbettet. Auf diese Weise lassen sich die Fasern in beliebiger Richtung verlegen – etwa genau den Lastpfaden folgend, sodass es in der beanspruchten Richtung besonders fest ist.
Nebenbei bricht das US-Start-up mit einer Art Dogma der Branche. Bisher betonten die Anbieter immer: Bauteile müssten speziell für den 3D-Druck konstruiert werden, um die Vorteile des Verfahrens wirklich ausnutzen zu können – etwa durch verschlungene bionische Geometrien. Markforged hingegen will herkömmliche Bauteile eins zu eins durch 3D-gedruckte ersetzen. Dazu braucht es meist keine hochfesten Endlosfasern. Auch mit eingebetteten Kurzfasern seien seine preiswerten Kunststoffdrucke bereits fester als aufwendig gefertigte Aluminiumbauteile, sagt Markforged.
Noch eine Stufe weiter drehen Forscher den Materialmix, wenn sie elektrische Komponenten integrieren. Forscher von der TU Dresden und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik haben einen 3D-Drucker mit eigenem Druckkopf für Leiterbahnen gebaut. Als Anwendungen haben die Dresdner integrierte Sensoren, RFID-Chips oder Heizschlangen im Sinn. Einen ganzen Elektromotor will Johannes Rudolph von der TU Chemnitz am Stück ausdrucken. Eine erste Spule konnte er bereits 2017 auf der Hannover Messe zeigen, in diesem Jahr soll ein kompletter Antrieb folgen.
Der Materialmix hilft dem 3D-Druck gleich an mehreren Stellen weiter, wo er bisher seine Schwächen hatte: Er macht die Bauteile fester; er macht die Produkte günstiger, weil sich beispielsweise durch Kunststoffdruck eine ausreichende Festigkeit erreichen lässt; und er ermöglicht komplexere Produkte auch in ausgefallenen Geometrien und in Losgröße eins. Für die Branche könnte das einen ähnlichen Übergang bedeuten wie vom Faustkeil zur ersten Steinaxt.
Mehr zu dem Thema lesen Sie in der aktuellen Ausgabe von Technology Review (jetzt im gut sortierten Zeitschriftenhandel und im heise shop erhältlich). (anwe)
