Neuer 3D-Drucker druckt zehnmal schneller als vorhandene Modelle

Links: FastFFF-Drucker mit 185 × 125 × 200 mm Arbeitsfläche, H-förmigem Stützrahmen, Glasfaserkabeln zum Anschluss von Druckkopf und Steuerelektronik sind sichtbar. Rechts: Fotos, die beim Drucken eines Spiralbechers aus ABS-Kunststoff zum Zeitpunkt des Drucks nach 120 Sekunden und 360 Sekunden aufgenommen wurden

Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein neues Druckkopfdesign für den 3D-Druck unter Verwendung der FDM / FFF-Methode entwickelt, dh der Modellierung der Schmelzabscheidung. Anstelle des herkömmlichen Rades verwendeten sie die "spiralförmige" Methode, einen strukturierten Faden zuzuführen. Dies vergrößerte die Kontaktfläche mit dem Faden, wodurch die Heizrate, die Extrusionskraft und die Druckgeschwindigkeit dramatisch zunahmen.

FDM / FFF ist die häufigste Druckmethode für kostengünstige Desktop-3D-Drucker. Mit der zehnfachen Druckbeschleunigung können Sie kleine Kunststoffteile nicht in einer Stunde, sondern in wenigen Minuten drucken (siehe Abbildung oben). Der zusammengebaute Prototyp zeigte eine Geschwindigkeit von 127 cm³ / h, was etwa siebenmal schneller ist als bei handelsüblichen FDM-Druckern. Die maximale Extrusionsrate (282 cm³ / h) ist ungefähr 14-mal höher als ihre. In modernen herkömmlichen 3D-Druckern überschreitet die Geschwindigkeit normalerweise nicht 20 cm³ / h, sie ist sehr langsam.

Die vorhandene 3D-Drucktechnologie unter Verwendung der FDM / FFF-Methode weist eine Reihe integrierter Einschränkungen für die maximale Druckgeschwindigkeit auf. Dies sind Einschränkungen für die Bewegungsgeschwindigkeit des Druckkopfs auf dem Trägerrahmen, die Extrusionskraft und die Länge der dünneren Kammer. Die MIT-Ingenieure konnten diese Einschränkungen mit einem speziell entwickelten Extruder, einem laserbeheizten Filamentverdünner und einem H-förmigen Tragrahmen mit zwei Servomotoren überwinden. Dies ermöglichte es, die Extrusionskraft, die Heizrate des Filaments bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit des Druckkopfes zu erhöhen.


Abhängigkeit der Druckgeschwindigkeit durch das Verfahren der schichtweisen Abscheidung von der Druckauflösung in verschiedenen Druckermodellen mit Einschränkungen hinsichtlich der Bewegungsgeschwindigkeit des Druckkopfs auf dem Trägerrahmen, der Extrusionskraft und der Länge der dünneren Kammer. Die Gesamtfläche unter allen drei einschränkenden Kurven entspricht der theoretisch möglichen Geschwindigkeit des Systems. Die Symbole zeigen die Leistung von vier handelsüblichen 3D-Druckern. Die rechte Seite zeigt das Eindringen der Temperatur durch ein wärmeleitendes Material, das bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten keine Zeit zum Aufheizen hat

Die Extrusions- und Heizmechanismen befinden sich in einem kompakten Druckkopf, der strukturierte Kunststofffilamente aufnimmt und das Material vor dem Drucken schnell erwärmt.


Links: Foto eines Druckkopfes mit Zuführung und Laserheizung des Arbeitsteils (heißes Ende). Rechts: Schnittmodell des Produktionsabschnitts. Hier wird gezeigt, wie der Laser mit dem Filament interagiert und durch eine Quarzkammer läuft, die von innen mit einer reflektierenden Goldfolie bedeckt ist. Nach der Laserheizkammer tritt der Faden in die Kontaktheizkammer ein

Die Druckgeschwindigkeit hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit des Druckkopfs ab und hängt wiederum von der Druckauflösung ab. Daher sind maximale Geschwindigkeit und maximale Auflösung gleichzeitig nicht erreichbar. Sie müssen also einen akzeptablen Kompromiss finden und eine dieser beiden Eigenschaften opfern.

FastFFF-Entwickler glauben, dass der Hochgeschwindigkeits-3D-Druck Möglichkeiten für neue Möglichkeiten zur Nutzung dieser Technologie und für neue Geschäftsmodelle eröffnet, wenn kompakte Teile in wenigen Minuten und nicht in einer Stunde hergestellt werden. Die Kardinalbeschleunigung gibt Anlass zu der Annahme, dass sich der Anwendungsbereich des 3D-Drucks erweitern wird. „Wenn ich ein Teil, vielleicht eine Halterung oder ein Zahnrad, in fünf bis zehn Minuten und nicht in einer Stunde oder für den größten Teil der Mittagspause anstelle des nächsten Tages als Prototyp erstellen kann, kann ich schnell Produkte entwickeln, erstellen und testen“, sagt Anastasius John Hart (Anastasios John Hart), außerordentlicher Professor und Direktor des Labors für Herstellung und Produktivität und der Mechanosynthesegruppe. - Wenn ich ein Mechaniker bin und einen schnellen 3D-Drucker in einem Auto übersetze, kann ich benutzerdefinierte Teile zur Reparatur drucken, sobald ich die Ursache des Ausfalls herausgefunden habe. Sie müssen nicht ins Lager gehen und nach diesem Detail suchen. “ Der Professor erwähnte die Möglichkeit des Einsatzes von Hochgeschwindigkeits-3D-Druck in Rettungswagen und in Gebieten außerhalb der Zivilisation.


Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die beschriebene Technologie für das Drucken mit Thermoplasten bei hohen Temperaturen und Verbundwerkstoffen, die hohe Extrusionskräfte erfordern, anzupassen.

Die Ingenieure demonstrierten die Fähigkeiten des neuen 3D-Druckers, indem sie Teile verschiedener Formen druckten (siehe Foto unten). Das Drucken dauerte jeweils einige Minuten.



Der wissenschaftliche Artikel wurde am 2. Juli 2017 auf der Preprint-Website arXiv.org veröffentlicht (arXiv: 1709.05918v1) und am 14. Oktober 2017 in Additive Manufacturing (doi: 10.1016 / j.addma.2017.10.016) veröffentlicht.