Recycelbare Objekte mit herkömmlichen 3D-Druckern fertigen

Die Maker-Gemeinde kann sich freuen, denn Forscher der ETH Zürich haben es geschafft, mit einem einfach verfügbaren Polymer und einem kommerziellen 3D-Drucker recycelbare Objekte herzustellen.

Für die Open-Source-Community könnte es dementsprechend einfach sein, komplexe Hochleistungs-Objekte aus den sogenannten Flüssigkristallpolymeren (LCP) fertigen zu können. Darüber hinaus ermögliche die neue Technologie Designfreiheit und das neue Filament soll hohe mechanische Eigenschaften aufweisen, so dass 3D-gedruckte Objekte marktfähig gemacht werden könnten.

FDM noch kein Kommerz

Der 3D-Druck, insbesondere FDM, ermöglicht es, einzigartige komplexe Teile schnell und kostengünstig herzustellen, bei denen die Struktur aus individuellen Drucklinien aus geschmolzenem Polymer aufgebaut wird. Die momentan genutzten Polymere sind jedoch relativ schwach und die Druckteile weisen eine unzureichende Haftung zwischen den Drucklinien auf. Aufgrund dieser Einschränkungen wurde FDM noch nicht erfolgreich in kommerziellen Produkten eingesetzt.

Traditionell wurde die Leistung von Polymeren erhöht, indem starke und steife Endlosfasern von Glas oder

Kohlenstoff in das Material eingebracht wurden. Obwohl die so resultierenden Materialien eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen, stellen der energie- und arbeitsintensive Herstellungsprozess sowie die Schwierigkeit, Verbundwerkstoffe zu recyceln, heute eine große Herausforderung dar. Der 3D-Druck mit Endlosfasern kann in Theorie Teile mit komplizierten Geometrien mit guten mechanischen Eigenschaften erzeugen, in der Praxis erfordert dieser Ansatz aber teure Spezialgeräte und ist aufgrund der Komplexität noch auf einfache Geometrien beschränkt. Zudem kann das so erzeugte Material nicht recycelt werden.

Das neue, vielversprechende Material

Die Wissenschaftler der Gruppen Complex Materials und Soft Materials haben nun einen bioinspirierten Ansatz entwickelt, um mit einem recycelbaren Material zu drucken, das mechanische Eigenschaften besitzt, die laut der ETH-Forschenden alle bisher verfügbaren druckbaren Polymere übertrifft und auch mit faserverstärkten Verbundwerkstoffen konkurrieren kann.

Das Rezept: Spinnenseide und Holz

Inspiriert wurde die Gruppe von zwei Materialien, die in der Natur zu finden sind: Spinnenseide und Holz. Spinnenseide erhält seine außerordentlichen mechanischen Eigenschaften durch den hohen Grad der molekularen Ausrichtung der Seidenproteine entlang der Faserrichtung. Diese hohe Ausrichtung wurde während der Extrusion von Flüssigkristallpolymer aus einer FDM-Düse reproduziert, was zu sehr guten mechanischen Eigenschaften in der Depositionsrichtung führte. Weiters wurden die anisotropen Fasereigenschaften genutzt, indem die lokale Ausrichtung der Drucklinien an die spezifischen Belastungsbedingungen der Umgebung angepasst wurde. Dieses Konstruktionsprinzip ist wiederum inspiriert von lebenden Materialien, wie beispielsweise beim Holz, das seine Fasern während des Wachstums entlang der Spannungslinien anordnet und sich so an seine Umgebung anpasst:

Fazit und Ausblick

Die 3D-gedruckten Flüssigkristallpolymer-Strukturen sind stärker als 3D-gedruckte Hochleistung-Polymere und erfordern nicht die arbeits- und energieintensiven Schritte der aktuellen Verbundwerkstoff-Fertigungstechnologien. Die Designfreiheit, die der Einsatz eines 3D-Druckers mit sich bringt, kann genutzt werden, um Geometrien mit komplexen Drucklinienarchitekturen zu erstellen. Zusammen mit der Tatsache, dass diese gedruckten Strukturen recycelt werden können, sollte es möglich sein, leichte FDM-Strukturen zu produzieren, die in der Industrie als Strukturbauteile eingesetzt werden könnten.

Quelle: ETH Zürich, Nature