a) CAD-Zeichnung. b) 3D-Druckteil. c) Endform nach der Selbstorganisation. d) μCT des Selbstorganisierungsbereichs (FB 5.4)
Quelle: BAM
Additive Fertigung ist eine Gruppe von Fertigungsprozessen, bei der Schicht-für-Schicht ein dreidimensionales Objekt gebildet wird. Es bietet große Freiheit und Flexibilität, um komplexe Geometrien zu prototypisieren und den Gradienten und die Zusammensetzung von Materialien anzupassen. Ein intrinsischer Widerspruch ergibt sich jedoch aus dem schichtbasierten Fertigungsprozess hinsichtlich Auflösung und Baukapazität. Die Erhöhung der Auflösung im Prozess verursacht höhere Bauzeit und Prozesskosten und damit eine Begrenzung der Baugröße.
Der Pulverbett-3D-Druck ist ein additiver Fertigungsprozess, bei dem ein Muster durch Inkjetting von Bindemittel auf das Pulverbett geschrieben wird, um Partikel zu verkleben. Vorteile sind, hohe Geschwindigkeit für größere Bauteile und geringe Kosten.
Dieser Beitrag zielt darauf ab, die derzeit etablierte additive Fertigungsstrategie zu ersetzen, in der jedes einzelne Volumenelement (Voxel) eines Teils festgelegt wird. Stattdessen wird eine 3D-Struktur grob durch den 3D-Druck mit Pulverbett mit all seinen Vorteilen definiert und eine von außen ausgelöste Selbstorganisation ermöglicht die Bildung von Strukturelementen mit einer Definition, die die volumetrische Auflösung des Druckprozesses bei weitem übersteigt und damit den intrinsischen Widerspruch zwischen Auflösung und Kapazität überwindet. Die Selbstorganisation wird durch vorsichtiges Erwärmen ermöglicht und realisiert somit einen viskosen Materialfluss durch Oberflächenspannung, der zu einer sehr dichten und transparenten Masse und einer mathematischen Formulierung minimaler Oberflächenstruktur führt.
Dieser Ansatz kombiniert auf einzigartige Weise die Gestaltungsfreiheit, die der Pulverbett-3D-Druck bietet, mit dem Wissen über die Differenzialgeometrie und die physikalischen Potenziale der Selbstorganisation. Darüber hinaus wurde in dieser Publikation gezeigt, dass eine transiente flüssige Phase die lokale Programmierung von Funktionalitäten, z. B. die Ausrichtung funktionaler Partikel, mittels elektrischer oder magnetischer Felder ermöglicht.
3D Printing of Self-Organizing Structural Elements for Advanced Functional Structures
Jinchun Chi, Andrea Zocca, Boris Agea-Blanco, J. Melcher, M. Sparenberg, Jens Günster
Advanced Materials Technologies, 2018
BAM Abteilung Werkstofftechnik, Fachbereich Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe