Was ein 3D-Drucker herausfinden kann Brauchbare Prozessparameter für jedes unbekannte Material

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Ein neuartiger 3D-Drucker kann herausfinden, wie man mit einem unbekannten Material druckt. Dieser Fortschritt könnte dazu beitragen, den 3D-Druck nachhaltiger zu machen, indem er den Druck mit erneuerbaren oder wiederverwertbaren Materialien ermöglicht, die nur schwer zu charakterisieren sind.

Der 3D-Druck erfreut sich zwar großer Beliebtheit, doch viele der Kunststoffmaterialien, die diese Drucker zur Herstellung von Objekten verwenden, lassen sich nicht ohne Weiteres recyceln. Es gibt zwar neue nachhaltige Materialien für den 3D-Druck, aber sie sind nach wie vor schwer zu verwenden, da die Einstellungen des 3D-Druckers für jedes Material angepasst werden müssen - ein Prozess, der in der Regel von Hand erfolgt.

Um ein neues Material von Grund auf zu drucken, müssen in der Regel bis zu 100 Parameter in der Software eingestellt werden, die steuern, wie der Drucker das Material bei der Herstellung eines Objekts extrudiert. Für gängige Materialien, wie zum Beispiel massenhaft hergestellte Polymere, gibt es festgelegte Parametersätze, die Schritt für Schritt perfektioniert wurden.

Parameter eines unbekannten Materials automatisch und selbstständig ermitteln 

Ein gemeinsames Team aus dem Center for Bits and Atoms (CBA) des MIT, dem U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) und dem National Center for Scientific Research in Griechenland (Demokritos) hat den Extruder, das "Herz" eines 3D-Druckers, so modifiziert, dass er die Kräfte und den Fluss eines Materials messen kann.
 Diese in einem 20-minütigen Test gesammelten Daten lassen sich in eine mathematische Funktion einspeisen, die zur automatischen Erstellung von Druckparametern verwendet wird. Diese Parameter können in eine handelsübliche 3D-Drucksoftware eingegeben und zum Drucken mit einem noch nie dagewesenen Material verwendet werden. Die automatisch generierten Parameter können etwa die Hälfte der Parameter ersetzen, die normalerweise von Hand einzustellen wären. In einer Reihe von Testdrucken mit einzigartigen Materialien, darunter mehrere erneuerbare Werkstoffe, zeigten die Forscher, dass ihre Methode durchgängig brauchbare Parameter erzeugen kann.

Drucker findet heraus, wie sich biobasierte Materialien drucken lassen

Diese Forschung könnte dazu beitragen, die Umweltauswirkungen der additiven Fertigung zu verringern, die in der Regel auf nicht wiederverwertbare Polymere und Harze aus fossilen Brennstoffen angewiesen ist. "In dieser Arbeit demonstrieren wir eine Methode, mit der all diese interessanten Materialien, die biobasiert sind und aus verschiedenen nachhaltigen Quellen stammen, verwendet werden können, und zeigen, dass der Drucker selbst herausfinden kann, wie er diese Materialien drucken kann. Das Ziel ist es, den 3D-Druck nachhaltiger zu machen", sagt der Hauptautor Neil Gershenfeld, der die CBA leitet.

 Zu seinen Co-Autoren gehören der Erstautor Jake Read, ein Doktorand der CBA, der die Entwicklung des Druckers leitete, Jonathan Seppala, ein Chemieingenieur in der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik des NIST, Filippos Tourlomousis, ein ehemaliger Postdoc der CBA, der jetzt das Autonomous Science Lab bei Demokritos leitet, James Warren, der das Materials Genome Program am NIST leitet, und Nicole Bakker, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin der CBA. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Integrating Materials and Manufacturing Innovation veröffentlicht.

Wechselnde Materialeigenschaften

Bei der Fused Filament Fabrication (FFF), die häufig beim Rapid Prototyping eingesetzt wird, werden geschmolzene Polymere durch eine beheizte Düse extrudiert, um ein Teil Schicht für Schicht aufzubauen. Eine Software, ein so genannter Slicer, gibt der Maschine Anweisungen, aber der Slicer muss für die Arbeit mit einem bestimmten Material konfiguriert werden.Die Verwendung von erneuerbaren oder recycelten Materialien in einem FFF-3D-Drucker stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Materialeigenschaften von so vielen Variablen abhängen.

Ein biobasiertes Polymer oder Harz kann zum Beispiel je nach Jahreszeit aus unterschiedlichen Pflanzenmischungen bestehen. Auch die Eigenschaften von recycelten Materialien variieren stark, je nachdem, was zum Recyceln zur Verfügung steht.

Mr. Fusion

"In 'Zurück in die Zukunft' gibt es einen 'Mr. Fusion'-Mixer, in den Doc Brown einfach alles reinschmeißt, was er hat, und das funktioniert als Energiequelle für die DeLorean-Zeitmaschine. Das ist die gleiche Idee wie hier. Im Idealfall könnte man beim Kunststoffrecycling einfach alles, was man hat, schreddern und damit drucken. Aber mit den derzeitigen Feed-Forward-Systemen funktioniert das nicht, denn wenn sich das Filament während des Drucks stark verändert, würde alles kaputt gehen", sagt Read.
 Um diese Herausforderungen zu meistern, entwickelten die Forscher einen 3D-Drucker und einen Arbeitsablauf, mit dem sie automatisch brauchbare Prozessparameter für jedes unbekannte Material ermitteln können.

Rückmeldung während des Betriebs

Die Forschenden starteten mit einem 3D-Drucker, den ihr Labor zuvor entwickelt hatte und der Daten erfassen und während des Betriebs Rückmeldungen geben kann. Sie fügten dem Extruder der Maschine drei Instrumente hinzu, die Messungen vornehmen, die zur Berechnung der Parameter verwendet werden. Eine Kraftmesszelle misst den Druck, der auf das Druckfilament ausgeübt wird, während ein Vorschubgeschwindigkeitssensor die Dicke des Filaments und die tatsächliche Geschwindigkeit, mit der es durch den Drucker transportiert wird, misst.
 "Diese Verschmelzung von Messung, Modellierung und Fertigung ist das Herzstück der Zusammenarbeit zwischen NIST und CBA, da wir an der Entwicklung der so genannten Computermetrologie arbeiten", sagt Warren. Aus diesen Messungen lassen sich die beiden wichtigsten, aber schwer zu bestimmenden Druckparameter berechnen: Durchflussmenge und Temperatur. Nahezu die Hälfte aller Druckeinstellungen in Standardsoftware beziehen sich auf diese beiden Parameter. 

Ableitung eines Datensatzes

Nachdem sie die neuen Instrumente installiert hatten, entwickelten die Forscher einen 20-minütigen Test, der eine Reihe von Temperatur- und Druckmesswerten bei verschiedenen Durchflussraten erzeugt. Im Wesentlichen besteht der Test darin, die Druckdüse auf die heißeste Temperatur einzustellen, das Material mit einer festgelegten Rate durchfließen zu lassen und dann die Heizung abzuschalten."

"Es war wirklich schwierig, herauszufinden, wie man diesen Test durchführen kann. Der Versuch, die Grenzen des Extruders auszuloten, bedeutet, dass man den Extruder ziemlich oft zerstören wird, während man ihn testet. Der Gedanke, die Heizung abzuschalten und einfach passiv Messungen vorzunehmen, war der Aha-Moment", sagt Read.

Integration des Verfahrens in die 3D-Druck-Software

Diese Daten werden in eine Funktion eingegeben, die automatisch reale Parameter für das Material und die Maschinenkonfiguration auf der Grundlage der relativen Temperatur- und Druckeingaben erzeugt. Der Benutzer kann diese Parameter dann in eine 3D-Drucksoftware eingeben und Anweisungen für den Drucker erstellen. In Experimenten mit sechs verschiedenen Materialien, von denen einige biobasiert waren, generierte die Methode automatisch brauchbare Parameter, die durchweg zu erfolgreichen Drucken eines komplexen Objekts führten.
 Für die Zukunft planen die Forscher, dieses Verfahren in die 3D-Drucksoftware zu integrieren, damit die Parameter nicht mehr manuell eingegeben werden müssen. Darüber hinaus wollen sie ihren Arbeitsablauf verbessern, indem sie ein thermodynamisches Modell des heißen Endes einbeziehen, das heißt, des Teils des Druckers, der das Filament schmilzt.

Vorhersagemodell statt einzelner Parameter

Diese Zusammenarbeit entwickelt nun auf breiterer Basis die computergestützte Messtechnik, bei der das Ergebnis einer Messung ein Vorhersagemodell und nicht nur ein Parameter ist. Die Forscher werden dies in anderen Bereichen der fortgeschrittenen Fertigung sowie bei der Erweiterung des Zugangs zur Metrologie anwenden.
 Diese Forschung wird zum Teil vom National Institute of Standards and Technology und dem Center for Bits and Atoms Consortia unterstützt. (anm)
 
Paper: “Online Measurement for Parameter Discovery in Fused Filament Fabrication”
 https://link.springer.com/article/10.1007/s40192-024-00350-w

Der Beitrag wurde aus dem Englischen übersetzt.

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