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Jun 14, 2023

Eine leckere Art, Kunststoffe in 3D zu drucken

Die Verwendung von Kunststoffen für die Massenproduktion geht auf die 1860er Jahre und John zurück

Die Verwendung von Kunststoffen für die Massenproduktion hat ihre Wurzeln in den 1860er Jahren und bei John Wesley Hyatt, einem Drucker aus Albany, New York. Hyatt reagierte auf das Angebot einer Belohnung von 10.000 US-Dollar an jeden, der sich eine alternative Möglichkeit zur Herstellung von Billardkugeln einfallen ließ – damals waren die Bälle aus Elfenbein geschnitzt, ein knapper Rohstoff. Seine Lösung bestand darin, sie zu formen, indem er einen geschmolzenen synthetischen Kunststoff namens Zelluloid in eine Form pumpte.

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Obwohl Hyatt den Preis offenbar nie erhalten hat, wurde das von ihm erfundene Verfahren, das Spritzgießen, zur Art und Weise, wie die meisten Kunststoffartikel hergestellt werden. Zumindest bis zum Aufkommen der additiven Fertigung in den frühen 1980er Jahren, im Volksmund als 3D-Druck bekannt. Maschinen, die Dinge aus Kunststoff drucken können, sind immer leistungsfähiger geworden und stellen Objekte her, die von Spielzeug über medizinische Implantate bis hin zu Komponenten für Autos, Drohnen und Flugzeuge reichen.

Ein weiterer Fortschritt ist nun in Planung. bcn3d Technologies, ein spanischer Hersteller von 3D-Druckern, hat eine neue Form des Kunststoffdrucks entwickelt, die er Viscous Lithography Manufacturing (VLM) nennt. Von anfänglich 500 Firmen, die angeblich daran interessiert waren, die Idee auszuprobieren, hat bcn3d die Zahl auf 20 große Hersteller aus Branchen wie Automobilbau, Elektronik und Maschinenbau reduziert. Diese arbeiten nun am Firmensitz in Barcelona an möglichen Anwendungen. Der Plan sieht vor, dass sie Anfang nächsten Jahres VLM-Maschinen in ihren Fabriken auf der ganzen Welt installieren werden, bevor die Drucker im Jahr 2024 in den allgemeinen Verkauf gehen.

3D-Drucker können Kunststoffobjekte auf verschiedene Arten herstellen. Eine weit verbreitete Technik besteht darin, dass ein Extrusionskopf Linien aus geschmolzenem Polymer auf eine sogenannte Bauplatte zeichnet. Sobald die erste Schicht fertig ist, bewegt sich die Platte ein wenig nach unten, eine zweite Schicht wird über die erste gelegt und so weiter. Neuere Maschinen projizieren ein Muster aus ultraviolettem (UV) Licht in einen Behälter mit lichtempfindlichem flüssigem Harz, um die für die Herstellung eines Objekts erforderlichen Schichten auszuhärten und zu verfestigen. Anschließend zieht eine Bauplatte das Objekt gleichmäßig aus dem Behälter.

Es ist dieser zweite Ansatz, auf dem vlm sozusagen aufbaut – obwohl der Prozess eher wie ein umgedrehter Siebdrucker funktioniert. Die Maschine besteht aus zwei Flüssigharzbehältern, jeweils einer auf jeder Seite einer Bauplatte. Darüber sitzt ein transparenter Bildschirm, der hin und her pendelt. Wenn sich eine Seite des Siebs über einem Reservoir befindet, überzieht eine Walze die Unterseite mit einem dünnen Harzfilm. Gleichzeitig wird die angrenzende Seite des Siebs, die bereits am zweiten Reservoir beschichtet wurde, über der Bauplatte positioniert.

Anschließend hebt sich die Platte, um Kontakt mit dem Harzfilm auf diesem Teil des Bildschirms herzustellen. Ein UV-Lichtmuster von einem LCD wird von oben durch den Bildschirm projiziert, um das Harz in bestimmten Bereichen auszuhärten, sodass eine vollständige Schicht in einem Schuss verfestigt werden kann. Wenn die Bauplatte abgesenkt wird, löst sie diese Schicht ab. Der abgezogene Teil des Siebs gleitet dann zurück in seinen Behälter, wo nicht verwendetes Harz zur Wiederverwendung zurückgewonnen wird, und die neu beschichtete andere Seite des Siebs wird dem gleichen Prozess der UV-Härtung und des Ablösens unterzogen. Und so geht der Prozess hin und her, bis das Objekt fertig ist.

Ein Vorteil des Druckens in Harzen besteht darin, dass fein detaillierte, hochwertige Kunststoffteile hergestellt werden. Ein Nachteil besteht darin, dass sie spröde sein können. Es ist möglich, den Harzen zusätzliche Materialien beizumischen, um beispielsweise die Festigkeit zu verbessern oder die Flexibilität zu erhöhen. Aber ähnlich wie das Hinzufügen weiterer Zutaten zu einem Kuchen führt dies zu einer Verdickung der Mischung, was das Drucken des Harzes erschweren kann. Das VLM-Verfahren kann dies jedoch bewältigen, da es, wie Eric Pallarés, der Technologievorstand des Unternehmens, erklärt, von Anfang an auf die Verwendung viel dickerer Harze ausgelegt ist.

Die beiden Reservoirs können auch mit unterschiedlichen Harzen gefüllt werden, was eine komplexere Konstruktion ermöglicht. Dies würde es beispielsweise ermöglichen, einem starren Schalter eine Soft-Touch-Oberfläche hinzuzufügen. Durch das Einmischen von Füllmaterialien, die aus den zerkleinerten Resten zuvor bedruckter Objekte hergestellt werden, konnte Festigkeit erreicht werden. Alternativ könnte ein lösliches Material gedruckt werden, um empfindliche Strukturen während des Baus zu stützen, und diese Stützen könnten dann abgewaschen werden. Heutzutage müssen Stützstrukturen oft aufwändig von Hand angebracht und entfernt werden.

Laut Herrn Pallarés ist VLM bisher bei der Herstellung von Dingen etwa zehnmal schneller als die meisten anderen Formen des Kunststoffdrucks. Und die Größe der herstellbaren Objekte ist nur durch die Größe des LCDs begrenzt, der zur Projektion des Bildes jeder Schicht verwendet wird. Wie die meisten 3D-Drucker, einschließlich solcher, die unterschiedliche Verfahren zum Drucken von Metallen verwenden, ist VLM in der Lage, komplexe Strukturen herzustellen, die mit herkömmlichen Produktionsmethoden wie Spritzguss nur schwer oder gar nicht herzustellen sind.

Auch bei Kleinserien ist das Spritzgießen unwirtschaftlich, da die dafür erforderlichen präzisionsgefertigten Formen mehrere Hunderttausend Dollar kosten können. Das spielt keine Rolle, wenn diese Formen zur Herstellung einer großen Anzahl von Dingen verwendet werden, aber für kleine Chargen sind die Kosten unerschwinglich.

Die additive Fertigung lebt jedoch von geringen Produktionsmengen, da 3D-Drucker mit Software laufen, die einfacher und kostengünstiger zu ändern ist als physische Formen. Wenn es darum geht, Millionen billiger und fröhlicher Plastikartikel herzustellen, wird die Erfindung von Hyatt wahrscheinlich noch eine Weile ihren Vorsprung behalten. Für mehr maßgeschneiderte Artikel wird die additive Fertigung immer besser. ■

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Dieser Artikel erschien in der Rubrik „Wissenschaft und Technologie“ der Printausgabe unter der Überschrift „Klebriges Treiben“.

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