Wie eine bewegliche Plattform für den 3D-Druck Abfall und Kosten senken kann

Eine neue dynamisch gesteuerte Basis für den 3D-Druck (links) reduziert den Bedarf an gedruckten Trägern (Mitte), reduziert Verschwendung und spart Zeit. Bildnachweis: Yong Chen

Der 3D-Druck hat das Potenzial, das Produktdesign und die Herstellung in einer Vielzahl von Bereichen zu revolutionieren – von kundenspezifischen Komponenten für Konsumgüter über 3D-gedruckte Dentalprodukte bis hin zu Knochen- und medizinischen Implantaten, die Leben retten könnten. Das Verfahren erzeugt jedoch auch eine große Menge teurer und nicht nachhaltiger Abfälle und dauert lange, was es schwierig macht, den 3D-Druck in großem Maßstab zu implementieren.

Jedes Mal, wenn ein 3D-Drucker benutzerdefinierte Objekte produziert, insbesondere ungewöhnlich geformte Produkte, muss er auch Stützen drucken, die das Objekt ausgleichen, während der Drucker Schicht für Schicht erstellt, um die Formintegrität zu erhalten. Diese Träger müssen jedoch nach dem Drucken manuell entfernt werden. Dies erfordert eine Endbearbeitung von Hand und kann zu Formungenauigkeiten oder Oberflächenrauheiten führen. Die Materialien, aus denen die Träger hergestellt sind, können häufig nicht wiederverwendet werden. Daher werden sie weggeworfen, was zu dem wachsenden Problem des 3D-gedruckten Abfallmaterials beiträgt.

Zum ersten Mal haben Forscher der Daniel J. Epstein-Abteilung für Industrie- und Systemtechnik von USC Viterbi eine kostengünstige wiederverwendbare Supportmethode entwickelt, um den Bedarf an 3D-Druckern zum Drucken dieser verschwenderischen Träger zu verringern und die Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit erheblich zu verbessern für 3-D-Druck.

Die Arbeit unter der Leitung von Yong Chen, Professor für Industrie- und Systemtechnik und Ph.D. Student Yang Xu, wurde veröffentlicht in Additive Fertigung.

Beim herkömmlichen 3D-Druck mit der FDM-Technik (Fused Deposition Modeling) wird Schicht für Schicht direkt auf eine statische Metalloberfläche gedruckt. Der neue Prototyp verwendet stattdessen eine programmierbare, dynamisch gesteuerte Oberfläche aus beweglichen Metallstiften, um die gedruckten Träger zu ersetzen. Die Stifte steigen an, wenn der Drucker das Produkt schrittweise aufbaut. Chen sagte, dass Tests des neuen Prototyps gezeigt haben, dass er rund 35% an Material einspart, das zum Drucken von Objekten verwendet wird.

„Ich arbeite mit biomedizinischen Ärzten zusammen, die 3D-Druck mit Biomaterialien zum Aufbau von Gewebe oder Organen durchführen“, sagte Chen. „Ein Großteil des verwendeten Materials ist sehr teuer – wir sprechen von kleinen Flaschen, die zwischen 500 und 1000 US-Dollar kosten.“

„Bei Standard-FDM-Druckern betragen die Materialkosten etwa 50 US-Dollar pro Kilogramm, beim Bioprinting jedoch eher 50 US-Dollar pro Gramm. Wenn wir also 30% des Materials einsparen können, das für den Druck dieser Träger aufgewendet worden wäre, sind das enorme Kosten.“ Einsparungen für den 3D-Druck für biomedizinische Zwecke „, sagte Chen.

Neben den Umwelt- und Kostenauswirkungen von Materialverschwendung sind herkömmliche 3D-Druckverfahren mit Trägern auch zeitaufwändig, sagte Chen.

„Wenn Sie komplexe Formen in 3D drucken, bauen Sie die Hälfte der Zeit, in der Sie die benötigten Teile bauen, die andere Hälfte der Zeit, in der Sie die Stützen bauen. Mit diesem System bauen wir also nicht die Stützen In Bezug auf die Druckzeit haben wir daher eine Einsparung von ca. 40%. „

Chen sagte, dass ähnliche Prototypen, die in der Vergangenheit entwickelt wurden, auf einzelnen Motoren beruhten, um jede der mechanischen Stützen anzuheben, was zu sehr energieintensiven Produkten führte, deren Anschaffung auch viel teurer und daher für 3D-Drucker nicht kosteneffektiv war.

„Wenn Sie also 100 bewegliche Stifte hätten und die Kosten für jeden Motor etwa 10 US-Dollar betragen, beträgt das Ganze 1.000 US-Dollar, zusätzlich zu 25 Steuerplatinen zur Steuerung von 100 verschiedenen Motoren. Das Ganze würde weit über 10.000 US-Dollar kosten.“

Der neue Prototyp des Forschungsteams arbeitet, indem jede einzelne Stütze von einem einzigen Motor aus betrieben wird, der eine Plattform bewegt. Die Plattform hebt gleichzeitig Gruppen von Metallstiften an, was sie zu einer kostengünstigen Lösung macht. Basierend auf dem Produktdesign würde die Software des Programms dem Benutzer mitteilen, wo er eine Reihe von Metallrohren in die Basis der Plattform einfügen muss. Die Position dieser Röhren würde dann bestimmen, welche Stifte auf definierte Höhen angehoben würden, um das 3-D-Druckprodukt am besten zu stützen, während gleichzeitig die geringste Verschwendung von gedruckten Trägern erzeugt würde. Am Ende des Prozesses können die Stifte leicht entfernt werden, ohne das Produkt zu beschädigen.

Chen sagte, das System könne auch leicht für die Herstellung in großem Maßstab angepasst werden, beispielsweise in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Yachtindustrie.

„Die Leute bauen bereits FDM-Drucker für große Auto- und Schiffskarosserien sowie für Konsumgüter wie Möbel. Wie Sie sich vorstellen können, sind ihre Bauzeiten sehr lang – wir sprechen von einem ganzen Tag“, sagte Chen. „Wenn Sie also die Hälfte davon einsparen können, könnte sich Ihre Fertigungszeit auf einen halben Tag reduzieren. Die Verwendung unseres Ansatzes könnte für diese Art des 3D-Drucks viele Vorteile bringen.“

Chen sagte, das Team habe kürzlich auch ein Patent für die neue Technologie angemeldet. Die Studie wurde von Ziqi Wang, zuvor Gaststudent am USC der Fakultät für Computer- und Kommunikationswissenschaften der EPFL Schweiz, und Siyu Gong vom USC Viterbi gemeinsam verfasst.


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Mehr Informationen:
Yang Xu et al., Wiederverwendbare Unterstützung für die additive Fertigung, Additive Fertigung (2021). DOI: 10.1016 / j.addma.2021.101840

Bereitgestellt von der University of Southern California

Zitat: Wie eine bewegliche Plattform für den 3D-Druck Abfall und Kosten senken kann (2021, 6. April), abgerufen am 6. April 2021 von https://techxplore.com/news/2021-04-platform-3d.html

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