Ein umweltfreundlicherer Weg zum 3D-Druck stärkerer Materialien

Einen nachhaltigen Weg für den 3D-Druck ebnen

Rückblick auf das Jahr 1983: Chuck Hull stellt seine Erfindung vor, die Stereolithografie – ein bahnbrechendes Verfahren, das heute als 3D-Druck bekannt ist. Indem er flüssiges Harz mithilfe von UV-Lasern in greifbare Objekte verwandelte, brachte Hull eine Technologie ins Leben, die ganze Branchen revolutionierte. Heute, viele Jahre später, hat sich der 3D-Druck von einer bloßen Neuheit zu einem bahnbrechenden Faktor entwickelt, der diverse Branchen revolutioniert. Ob es um die Erstellung von Architekturentwürfen, die maßgeschneiderte Herstellung von Prothesen, die detailgetreue Modellierung von Lebensmitteln oder sogar das Bioprinting von Organen geht – das Potenzial des 3D-Drucks scheint grenzenlos.

Doch es ist nicht alles eitel Sonnenschein. Die Entwicklung des 3D-Drucks geht mit einer zunehmenden ökologischen Herausforderung einher, da die meisten 3D-Drucker für den Verbraucher- und Industriebereich derzeit auf Kunststoffe auf Erdölbasis angewiesen sind. Es gibt zwar biologisch abbaubare Alternativen oder recycelte Filamente, doch diese erfüllen oft nicht die Anforderungen an Haltbarkeit und Belastbarkeit, die für tragende oder strukturelle Anwendungen erforderlich sind. Hier kommt der Konflikt zwischen Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit ins Spiel – eine große Herausforderung, mit der sich Designer und Ingenieure auseinandersetzen müssen.

Lernen Sie SustainaPrint kennen: Die Zukunft des umweltfreundlichen 3D-Drucks

Doch es gibt noch Hoffnung. Teams des Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT und des Hasso-Plattner-Instituts haben SustainaPrint, eine Kombination aus Software und Hardware, mit der Nutzer hochfeste und umweltfreundliche Filamente geschickt miteinander kombinieren können. Anstatt ein gesamtes Objekt aus hochfestem Kunststoff zu drucken, nutzt SustainaPrint die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um spannungsanfällige Stellen zu identifizieren und diese gezielt mit langlebigen Materialien zu verstärken.

Maxine Perroni-Scharf, Doktorandin am MIT und Wegbereiterin des Projekts, hofft auf eine künftige Integration von SustainaPrint in die industrielle und dezentrale Fertigung, insbesondere an Standorten mit unterschiedlicher lokaler Materialqualität und -zusammensetzung. Der Ansatz zielt darauf ab, den Kunststoffverbrauch zu senken und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit zu erhalten, indem robustes Material nur dort eingesetzt wird, wo es unbedingt erforderlich ist.

Bei ihren Versuchen verwendeten die Forscher „PolyTerra PLA“ von Polymaker als nachhaltiges Filament, verstärkt mit dem Standard- oder „Tough PLA“ von Ultimaker. Sie stellten fest, dass bereits die Verwendung von nur 20% hochfestem Kunststoff die Festigkeit eines vollständig verstärkten Objekts um bis zu 70% wiederherstellen kann. Von Kopfhörerständern und Blumentöpfen bis hin zu mechanischen Ringen und Trägern testeten sie verschiedene Gegenstände in drei Konfigurationen, die alle die potenzielle Wirksamkeit des Konzepts belegten.

Eine Zukunft des nachhaltigen 3D-Drucks

Laut Perroni-Scharf deuten die Ergebnisse des Teams darauf hin, dass eine strategische Kombination verschiedener Werkstoffe unter bestimmten Bedingungen und bei bestimmten Geometrien zu besseren Ergebnissen führen könnte als die Verwendung eines einzigen Werkstoffs. Diese Leistungssteigerung lässt sich wahrscheinlich auf eine bessere Spannungsverteilung und die Vermeidung spröder Brüche zurückführen, wie sie bei übermäßig steifen Werkstoffen häufig auftreten.

Um die Festigkeitsprüfung zugänglicher zu machen, hat das Team zudem ein Testset zum Selberbauen entwickelt. Das per 3D-Drucker herstellbare Gerät, das mit gewöhnlichen Haushaltsgegenständen die Zug- und Biegefestigkeit misst, liefert Ergebnisse, die weitgehend mit den Herstellerangaben übereinstimmen, und ist damit eine wertvolle Hilfe für Privatanwender und Kleinproduzenten.

Das SustainaPrint-Team plant, den Sprung zu wagen und sowohl die Software als auch das Test-Toolkit als Open-Source-Tools zu veröffentlichen. Über industrielle Anwendungen hinaus hat SustainaPrint das Potenzial, eine hervorragende Ressource im Bildungsbereich zu werden, wo Schüler und Studenten auf praktische und interaktive Weise an Konzepte der Materialwissenschaft, des Bauingenieurwesens und des nachhaltigen Designs herangeführt werden können.

Die Integration von Nachhaltigkeit in 3D-Druckverfahren und -Produkte ist eine gewaltige Aufgabe. Während wir das grenzenlose Potenzial des 3D-Drucks weiter erforschen, ebnen Teams wie SustainaPrint den Weg für eine Zukunft, in der umweltfreundliches Design keine Abstriche bei Haltbarkeit und Leistung erfordert.

Dieses Projekt, das von Patrick Baudisch vom Hasso-Plattner-Institut gewürdigt wurde, wird hoffentlich die Lücke zwischen der Idee des Recyclings von 3D-Druckmaterial und deren Umsetzung in die Praxis schließen. Das Vorhaben wurde durch einen „Designing for Sustainability“-Zuschuss des MIT-HPI-Forschungsprogramms gefördert und wird im September auf dem ACM-Symposium für Benutzeroberflächen-Software und -Technologie vorgestellt. Weitere Einzelheiten finden Sie in der Original-Pressemitteilung hier: MIT-Nachrichten.