Werkzeugwege in der additiven Fertigung Das macht komplexe 3D-Druck-Teile zuverlässiger

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Neue Forschungsergebnisse ermöglichen es, die Einschränkungen von 3D-Druckern in Computerdesigns zu berücksichtigen, um die Leistungsfähigkeit der 3D-Druck-Teile in der Luft- und Raumfahrt, Medizin und anderen Anwendungsbereichen besser zu kontrollieren.

Immer häufiger kommt Software zum Einsatz, die komplexe Materialstrukturen wie Flugzeugflügel und medizinische Implantate konstruieren hilft. Doch während die Konstruktionsmodelle immer leistungsfähiger werden, haben die Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Selbst 3D-Drucker haben Schwierigkeiten, die von Algorithmen erstellten präzisen Designs zuverlässig zu produzieren. Dieses Problem hat zu einer Diskrepanz zwischen der erwarteten Leistung der 3D-Druck-Teile und ihrer tatsächlichen Funktionsweise geführt.

Leistungsfähigere Materialien für 3D-Druck-Teile

Nun haben Forschende des MIT eine Methode entwickelt, mit der Modelle die Einschränkungen des 3D-Drucks während des Designprozesses berücksichtigen können. In Experimenten haben sie gezeigt, dass ihr Ansatz zur Herstellung von Materialien verwendet werden kann, deren Leistung viel näher an der vorgesehenen liegt.

„Wenn man diese Einschränkungen nicht berücksichtigt, kann es vorkommen, dass Drucker entweder zu viel oder zu wenig Material auftragen, sodass das Teil schwerer oder leichter als beabsichtigt wird. Außerdem kann die Materialleistung erheblich über- oder unterschätzt werden“, sagt Josephine Carstensen, Associate Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Gilbert W. Winslow. „Mit unserer Technik wissen Sie, welche Leistung Sie erhalten, da das numerische Modell und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen.“

Der Ansatz wird in der Fachzeitschrift Materials and Design in einem frei zugänglichen Artikel beschrieben, der von Carstensen und der Doktorandin Hajin Kim-Tackowiak gemeinsam verfasst wurde.

Theorie und Realität in Einklang bringen

In den letzten zehn Jahren haben neue Konstruktions- und Fertigungstechnologien die Herstellungsweise von Produkten verändert, insbesondere in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Biomedizintechnik, wo Materialien präzise Gewichts-Festigkeits-Verhältnisse und andere Leistungsschwellen erreichen müssen. Insbesondere der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung von Materialien mit komplexeren inneren Strukturen.

„3D-Druckverfahren bieten uns im Allgemeinen mehr Flexibilität, da wir keine Formen oder Gussformen für Dinge entwickeln müssen, die mit traditionelleren Verfahren wie Spritzguss hergestellt würden“, erklärt Kim-Tackowiak.

Topologie-Optimierung: Entwürfe mit sehr feinen Details nicht immer druckbar

So wie der 3D-Druck die Produktion präziser gemacht hat, so haben sich auch die Methoden zur Konstruktion komplexer Materialstrukturen weiterentwickelt. Eine der fortschrittlichsten computergestützten Konstruktionstechniken ist die Topologie-Optimierung. Mit Hilfe der Topologie-Optimierung wurden neue und oft überraschende Materialstrukturen entwickelt, die herkömmliche Konstruktionen übertreffen und in einigen Fällen an die theoretischen Grenzen bestimmter Leistungsgrenzwerte heranreichen. Derzeit wird sie zur Konstruktion von Materialien mit optimierter Steifigkeit und Festigkeit, maximierter Energieabsorption, Flüssigkeitsdurchlässigkeit und vielem mehr eingesetzt.

Die Topologie-Optimierung erzeugt jedoch oft Entwürfe in extrem feinen Maßstäben, die 3D-Drucker nur schwer zuverlässig reproduzieren können. Das Problem ist die Größe des Druckkopfes, der das Material extrudiert. Wenn das Design beispielsweise eine Schichtdicke von 0,5 Millimetern vorsieht und der Druckkopf nur 1 Millimeter dicke Schichten extrudieren kann, wird das endgültige Design der 3D-Druckteile verzerrt und ungenau.

Diskrepanz zwischen erwarteten und tatsächlichen Materialeigenschaften beheben

Ein weiteres Problem hängt mit der Art und Weise zusammen, wie 3D-Drucker Teile herstellen: Der Druckkopf extrudiert einen dünnen Materialstrang, während er über den Druckbereich gleitet, und baut so nach und nach Schicht für Schicht Teile auf. Dies kann zu einer schwachen Verbindung zwischen den Schichten führen, wodurch das Teil anfälliger für Ablösungen oder Versagen wird.

Die Forscher versuchten, die Diskrepanz zwischen den erwarteten und den tatsächlichen Eigenschaften der Materialien zu beheben, die sich aus diesen Einschränkungen ergibt.

„Wir dachten: ‚Wir kennen diese Einschränkungen von Anfang an, und die Branche ist mittlerweile besser darin, diese Einschränkungen zu quantifizieren, also können wir das Design von Anfang an unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen gestalten‘“, sagt Kim-Tackowiak.

In früheren Arbeiten entwickelte Carstensen einen Algorithmus, der Informationen über die Größe der Druckdüse in Entwurfsalgorithmen für Balkenstrukturen einbettete. Für diese Arbeit bauten die Forscher auf diesem Ansatz auf und integrierten die Richtung des Druckkopfes und die entsprechenden Auswirkungen der schwachen Verbindung zwischen den Schichten. Sie machten ihn auch mit komplexeren, porösen Strukturen funktionsfähig, die äußerst elastische Eigenschaften haben können.

Vergleich mit der traditionellen topologischen Optimierung

Der Ansatz ermöglicht es Benutzern, Variablen zu den Design-Algorithmen hinzuzufügen, die die Mitte des aus einem Druckkopf extrudierten Strangs und die genaue Position des Bereichs mit schwächerer Verbindung zwischen den Schichten berücksichtigen. Der Ansatz legt auch automatisch den Weg fest, den der Druckkopf während der Produktion nehmen soll.

Die Forscher verwendeten ihre Technik, um eine Reihe sich wiederholender 2D-Designs mit verschiedenen Größen von Hohlporen oder Dichten zu erstellen. Sie verglichen diese Kreationen mit Materialien, die unter Verwendung traditioneller topologischer Optimierungsdesigns mit denselben Dichten hergestellt wurden.

In Tests wichen die traditionell entwickelten Materialien bei Materialdichten unter 70 Prozent stärker von ihrer vorgesehenen mechanischen Leistung ab als Materialien, die mit der neuen Technik der Forscher entwickelt wurden. Die Forscher stellten außerdem fest, dass bei herkömmlichen Konstruktionen während der Fertigung durchweg zu viel Material aufgetragen wurde. Insgesamt führte der Ansatz der Forscher zu Bauteilen mit zuverlässigerer Leistung bei den meisten Dichten.

„Eine der Herausforderungen der Topologie-Optimierung bestand bisher darin, dass man viel Fachwissen benötigt, um gute Ergebnisse zu erzielen, damit sich die Materialien nach dem Ausdrucken der Entwürfe aus dem Computer auch so verhalten, wie man es sich vorgestellt hat“, sagt Carstensen. „Wir versuchen, die Herstellung dieser hochpräzisen Produkte zu vereinfachen.“

Skalierung eines neuen Designansatzes

Die Forscher glauben, dass dies das erste Mal ist, dass eine Designtechnik sowohl die Größe des Druckkopfes als auch die schwache Verbindung zwischen den Schichten berücksichtigt.

„Wenn man etwas entwirft, sollte man so viel Kontext wie möglich einbeziehen“, sagt Kim-Tackowiak. „Es war sehr erfreulich zu sehen, dass die Einbeziehung von mehr Kontext in den Entwurfsprozess zu einer höheren Genauigkeit der endgültigen Materialien führt. Das bedeutet, dass es weniger Überraschungen gibt. Gerade wenn wir so viel mehr Rechenressourcen in diese Entwürfe stecken, ist es schön zu sehen, dass wir die Ergebnisse aus dem Computer mit denen aus dem Produktionsprozess in Einklang bringen können.“

Höhere Materialdichten, verschiedene Arten von Materialien für 3D-Druck-Teile

In zukünftigen Arbeiten hoffen die Forscher, ihre Methode für höhere Materialdichten und für verschiedene Arten von Materialien wie Zement und Keramik zu verbessern. Dennoch sagten sie, dass ihr Ansatz eine Verbesserung gegenüber bestehenden Techniken darstelle, die oft erfahrene 3D-Druckspezialisten erfordern, um die Einschränkungen der Maschinen und Materialien zu berücksichtigen.

„Es war cool zu sehen, dass man allein durch die Eingabe der Größe der Ablagerung und der Werte für die Haftungseigenschaften Designs erhält, für die man sonst jemanden hätte konsultieren müssen, der seit Jahren in diesem Bereich arbeitet“, sagt Kim-Tackowiak.

Mehr Materialien sollen druckbar werden

Die Forschenden gehen davon aus, dass diese Arbeit den Weg für die Verwendung weiterer Materialien für 3D-Druck-Teile ebnet. „Wir hoffen, dass dadurch Materialien zum Einsatz kommen können, die bisher aufgrund von Problemen beim Drucken vernachlässigt wurden“, sagt Kim-Tackowiak. „Jetzt können wir diese Eigenschaften nutzen oder mit diesen Eigenheiten arbeiten, anstatt einfach nicht alle uns zur Verfügung stehenden Materialoptionen zu nutzen.“

Weitere Informationen:
 https://www.mit.edu/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127525011207