Nachhaltigkeit dank Simulation im 3D-Druck Cleveres 3D-Drucksystem setzt für Stabilität auf Materialkombinationen

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Wird eine stabile Komponente aus dem 3D-Druck benötigt, dann wird meist zu einem Volldruck aus Kunststoff gegriffen. Das muss nicht sein, denn mittels Simulation findet das System Sustainaprint, wo die Belastung eines Bauteils am höchsten ist, und setzt nur gezielt dort starkes Plastik ein.

3D-Druck stellt mittlerweile eine ausgewachsene Technologie dar, die in vielen Bereichen der Produktion bereits eingesetzt wird. Doch mit einer größeren Marktdurchdringung der additiven Fertigung im privaten und im industriellen Bereich steigt auch der Verbrauch von Plastikfilamenten, die größtenteils aus Öl hergestellt werden. Dabei ist es gar nicht nötig, jegliche Bauteile vollständig aus starkem Plastik herzustellen, wenn sie schlussendlich gar nicht belastet werden. Dann würden biologisch abbaubare oder recycelte Materialien ausreichen. Was aber, wenn sowohl Stabilität benötigt wird, doch gleichzeitig Wert auf umweltfreundlichere, aber spröde Materialien gelegt werden soll?

Dann könnten Forscher des MIT vom Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) und des Hasso-Plattner-Instituts mit Sustainaprint eine gute Antwort gefunden haben. Dieses Toolkit soll sowohl Nachhaltigkeit als auch Stabilität im 3D-Druck vereinen. Der Ansatz: Anstatt Bauteile vollständig aus starkem Kunststoff zu fertigen, wird nur dort verstärkt, wo Belastungen auftreten – die übrigen Bereiche bestehen aus umweltfreundlicherem, aber weniger stabilem Material.

Mit Simulationen zum sinnvollen Druck

Das Sustainaprint-System analysiert 3D-Modelle mithilfe von Simulationen, identifiziert kritische Zonen und kombiniert dann für den Druck unterschiedliche Filamente für unterschiedlich stark belastete Stellen des Bauteils. Tests zeigen: Mit nur 20 Prozent verstärktem Material (Tough PLA von Ultimaker) lassen sich bis zu 70 Prozent der Festigkeit von Vollkunststoff-Teilen erreichen – bei deutlich geringerem Materialeinsatz. Als umweltfreundliches Filament kam Polyterra PLA von Polymaker zum Einsatz.

Die Forscher druckten Dutzende Objekte, von einfachen mechanischen Formen wie Ringen und Balken bis zu funktionaleren Haushaltsgegenständen wie Kopfhörerständern, Wandhaken und Blumentöpfen. Jedes Objekt wurde auf drei Arten gedruckt: einmal nur mit umweltfreundlichem Filament, einmal nur mit starkem PLA und einmal mit der hybriden Sustainaprint-Konfiguration. Die gedruckten Teile wurden dann mechanisch getestet, indem sie gezogen, gebogen oder auf andere Weise gebrochen wurden, um zu messen, wie viel Kraft jede Konfiguration aushalten konnte. „In vielen Fällen hielten die Hybriddrucke fast genauso gut wie die Vollkraftversionen“, berichtet das MIT.

„Wir hoffen, dass Sustainaprint eines Tages in industriellen und dezentralen Fertigungsumgebungen eingesetzt werden kann, in denen die Qualität und Zusammensetzung der lokalen Materialvorräte variieren kann“, so Maxine Perroni-Scharf, Doktorandin am MIT und Forscherin am CSAIL, die als Hauptautorin einer Veröffentlichung zu diesem Projekt fungiert. 

Sustainaprint ist eine kombinierte Lösung aus Hard- und Software. Zusätzlich bietet Sustainaprint ein DIY-Testkit, mit dem Nutzer die Festigkeit ihrer Filamente prüfen können. Die Forschenden wollen Software und Hardware als Open Source veröffentlichen. Einsatzmöglichkeiten sehen sie nicht nur in Industrie und dezentraler Fertigung, sondern auch in der Ausbildung, um nachhaltiges Design und Materialwissenschaft praxisnah zu vermitteln. (sb)

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