Möbelteile in Minutenschnelle: 3D-Druck mit Flüssigmetall

Ob Stahl, Aluminium oder Kupfer: Metall-Druck ist im Bauwesen nicht neu. Wenn es darum geht, größere Strukturen mittels 3D-Druck herzustellen, zählt die additive Fertigung mit Drahtbögen (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) als fortschrittliche Technologie. Dabei werden Drähte Schicht für Schicht auf einer Platte  geschmolzen, bis das gewünschte Bauteil komplett ist. WAAM ist eine kostengünstige und effiziente Methode, die jedoch ihre Schwächen hat: Stimmt die Kühlung des geschmolzenen Metalls nicht, können die Teile anfällig für Risse sein. Und: Mit dieser Art von 3D-Metall-Druck kann es Tage dauern, ein Objekt fertigzustellen. Geht das nicht anders: schneller, besser?

Offenbar ja. Ein Team vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eine innovative Technik weiterentwickelt: den Flüssigmetalldruck (Liquid Metal Printing, LMP). Neu ist das Verfahren nicht, aber die Forschenden haben einen Weg gefunden, die Methode alltagstauglicher umzusetzen. Sie gießen geschmolzenes Aluminium entlang einer Bahn in ein Druckbett aus winzigen Glasperlen, das in der gewünschten Form schnell aushärtet, als fertige 3D-Struktur. Laut den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist LMP mindestens zehnmal schneller als vergleichbare additive Fertigungsverfahren. Außerdem wird das Metall bei dieser Methode effizienter erhitzt und geschmolzen.

Für Aluminium entschied sich das Team, weil das Metall häufig im Bauwesen verwendet wird und sich kostengünstig und effizient recyceln lässt. Mit LMP hergestellte Teile eignen sich für die Fertigung in Architektur, im Bauwesen und im Industriedesign, wenn größere Strukturen herstellt werden, die keine besonders feinen Details erfordern. Auch beim Rapid Prototyping mit recyceltem Metall oder Schrott könnte das innovative 3D-Druck-Verfahren zum Einsatz kommen.

Neuer 3D-Druck bringt robustere Objekte hervor

Der größte Teil der Dinge um uns herum, wie Tische, Stühle und Gebäude, brauche keine extrem hohe Auflösung, sagt Skylar Tibbits, die als außerordentliche Professorin am MIT Fachbereich Architektur arbeitet und an der Entwicklung maßgeblich beteiligt war. Stattdessen seien Geschwindigkeit und Größe, Wiederholbarkeit und Energieverbrauch wichtige Kriterien.

In ihrer Studie demonstrierte die Gruppe ihr neues 3D-Druck-Verfahren, indem sie mit hohem Tempo Aluminiumrahmen und -teile mit variablen Dicken produzierten – für Tische und Stühle aus Aluminium und anderen Komponenten wie Holz. Die mit LMP erzeugten Teile erwiesen sich als robust genug, um Bearbeitungsprozessen wie Fräsen und Bohren standzuhalten.

Das bedeutet: Die Aluminiumteile, die eine vergleichsweise geringe Auflösung aufweisen, können mit hochauflösenden Verfahren und zusätzlichen Materialien kombiniert werden, um funktionale Möbel zu schaffen.

Aus geschmolzenem Aluminium gedruckt – in einem Schritt

Die Gruppe setzte bei ihrer Entwicklung auf Erfahrungen mit schnellem Flüssigdruck mit Gummi. Die Forschenden konstruierten eine Maschine, die Aluminium schmilzt, das Metall in diesem Zustand hält und es mit hohem Tempo durch eine Düse abgibt. Große Teile können damit in nur wenigen Sekunden gedruckt werden, und das geschmolzene Aluminium kühlt in wenigen Minuten ab.

Die Maschine besteht aus einem Elektroofen, der das Metall auf 700 Grad Celsius erhitzt. Der Schmelzpunkt des Metalls liegt bei 66 Grad. In einem Graphit-Tiegel wird das Aluminium auf hoher Temperatur gehalten und mithilfe der Schwerkraft durch eine Keramikdüse in das Druckbett geleitet. Je größer die Aluminiummenge ist, desto schneller arbeitet der Drucker, fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heraus.

Da das geschmolzene Material direkt in eine vorgegebene Bahn in der körnigen Substanz eingespritzt wird, müssen die Forschenden keine Stützen drucken, um die Aluminiumstruktur zu halten, während sie ihre Form annimmt. Weil das Ausgangsmaterial, das Aluminium, während des Prozesses geschmolzen bleibt, können Strukturschwächen wie die bei der Produktion mit WAAM vermieden werden.

Glaskügelchen kühlen heiße 3D-Druck-Teile

Das Druckbett besteht aus 100-Mikrometer-Glaskugeln. Diese halten die extrem hohe Temperatur des geschmolzenen Aluminiums stand und lassen das Metall schnell abkühlen. Ein weiterer Vorteils des Pulvers: Es ist so fein, dass es die Oberfläche des gedruckten Objekts nicht wirklich verändert, sagt Tibbits.

Die aktuelle Menge des geschmolzenen Materials im Tiegel, die Tiefe des Druckbetts sowie die Größe und Form der Düse haben den größten Einfluss auf die Geometrie des fertigen Objekts. So werden beispielsweise Teile des Objekts mit größeren Durchmessern zuerst gedruckt, da die Menge an Aluminium, die die Düse abgibt, beim Entleeren des Tiegels abnimmt.

Zukunftstechnologie Liquid Metal Printing? Die Aussichten

Die Forschenden wollen noch mehr erreichen, etwa eine gleichmäßige Erwärmung in der Düse, um ein Verkleben des Materials zu verhindern und um eine bessere Kontrolle über den Fluss des geschmolzenen Materials zu erreichen. Größere Düsendurchmesser können jedoch zu unregelmäßigen Drucken führen, sodass es noch technische Herausforderungen zu bewältigen gibt.

„Wenn es uns gelänge, diese Maschine so zu gestalten, dass sie tatsächlich zum Einschmelzen von recyceltem Aluminium und zum Drucken von Teilen verwendet werden könnte, wäre das ein entscheidender Fortschritt in der Metallherstellung“, ist Tibbits überzeugt.