Hochwertiger 3D-Drucker verarbeitet Kunststoffpartikel aus Toner

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt haben die TH Köln und das Unternehmen MZ Toner Technologies ein 3D-Druck-Verfahren entwickelt, das Kunststoffpartikel aus einem Toner zum Drucken verwendet.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erreiche diese Alternative eine bessere Qualität und einen höheren Durchsatz. Eine Weiterentwicklung soll es nun ermöglichen, auch mit Metallen und Keramik zu drucken. Langfristig ist ein Einsatz in der Raumfahrt denkbar. Der 3D-Druck von Kunststoffprodukten ist bekanntlich im Prototypenbau, für individualisierte Einzelteile und teilweise auch in Kleinserien bereits weit verbreitet, wie die Projektpartner sagen. In der Massenproduktion komme die additive Fertigung unter anderem wegen der relativ langsamen Prozesse und Unsicherheiten bei der Bauteilqualität noch nicht zum Einsatz. Beides soll sich durch das Projekt ändern.

Viele 2D-Schichten werden per Stempelmaschine zum 3D-Teil

Der im Vorhaben entwickelte Ansatz beruht auf dem elektrophotographischen Druck, der in Laserdruckern weit verbreitet ist. Dabei wird eine lichtempfindliche Trommel im Dunkeln verwendet, die vollständig elektrostatisch aufgeladen ist. Der Laserstrahl löscht dann selektiv die Ladungen. Kommen Dann die Kunststoffpartikel aus dem Toner mit der Trommel in Berührungen, haften sie auf den noch aufgeladenen Bereichen und können auf ein Trägermaterial übertragen werden.

Die verwendeten Kunststoffpartikel im Toner des Projektpartners der TH Köln sind zwischen 10 und 100 Mikrometer groß. Entsprechend dünn sind die 2D-Schichten, die man pro Durchgang erzeugt. Durch diese sehr kleine Auflösung erreiche man aber gute mechanische Eigenschaften und eine gute Oberflächenqualität. Um aus den gedruckten zweidimensionalen Schichten nun ein dreidimensionales Bauteil zu machen, werden die einzelnen Schichten in einer Stempelmaschine übereinandergelegt und bei 200 bis 220 Grad verschmolzen.

3D-Bauteilqualität hart an der von Spritzgussteilen

Tests mit so hergestellten Probenkörpern aus dem technischen Kunststoff ABS zeigen, dass ihre Eigenschaften mit herkömmlichen Fertigungsverfahren und anderen additiven Verfahren vergleichbar sind, wie die Protagonisten betonen. Bei Zugversuchen erreichten die Teile eine Zugfestigkeit von 1.904 Megapascal (MPa). In der Literatur werden beispielsweise für das Schmelzschichtverfahren Werte von 1.627 MPa und für das Spritzgussverfahren von 2.300 MPa angegeben. Derzeit kann der Prototyp bis zu fünf Quadratmeter pro Minute zweidimensional drucken, wie man weiter erfährt. Wie viele Werkstücke daraus entstehen, hänge nur von der Anzahl der parallel arbeitenden Transfereinheiten ab.

3D-Druck

Recycelte Baustoffe additiv fertigen

Auch Metall und Keramik lassen sich so drucken

Nachdem sie die Herausforderungen des elektrophotographischen 3D-Drucks mit Kunststoffen bewältigt haben, wollen die beiden Projektpartner nun auch den Einsatz in der Metall- und Keramikfertigung anvisieren. Am grundlegenden Verfahren ändere sich dabei nichts. Man stehe jedoch vor der zusätzlichen Schwierigkeit, dass die zu verarbeitenden Metallpartikel elektrisch leitfähig sind, was das Ablösen der Partikel vom Trägermaterial erschwere. Die dauerhafte Verbindung wird bei diesem Verfahren deshalb durch einen Sinterprozess erreicht, bei dem die Schichten unter erhöhtem Druck erhitzt werden. Für die verschiedenen Schichten eines Produkts könnten Toner mit unterschiedlichen Materialien verwendet werden. So ist es etwa denkbar, funktionsfähige Elektronikkomponenten zu drucken, wie man betont. Unterschiedlich gefärbte Keramik- oder Polymerpartikel eröffnen dabei neue gestalterische Möglichkeiten.

Raumfahrtmissionen mit werkstoffflexibler Ersatzteilfertigung

Wenn das Verfahren ausgereift ist, könnte es in der Metallfertigung eine Alternative zu den pulverschmelzenden additiven Fertigungsverfahren werden. Ein besonderer Vorteil sei, dass es unabhängig von der Gravitation funktioniert und keine Partikel im Raum schweben – deshalb kommt auch die Anwendung in der Raumfahrt in Frage, wie die Experten anmerken. So könnten mit nur einem Gerät verschiedene Ersatzteile oder Werkzeuge aus Polymeren, Metallen und Keramiken während einer Mission dann hergestellt werden. Angesichts der sehr hohen Transportkosten ins All sehen die Projektpartner deshalb ein großes Anwendungspotenzial.

Ziel Mond!

Trumpf unterstützt kommerzielle Raumfahrt mit 3D-Druck

Mehr zum Projekt und zur Zukunft dieses Ansatzes

Das jetzt abgeschlossene Projekt „Entwicklung eines neuartigen elektrophotographischen 3D-Druck Verfahrens“ wurde von der TH Köln und der MZ Toner Technologies GmbH und Co. KG von 2021 bis 2023 durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Förderprogramms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM) unterstützt. Die beiden Projektpartner arbeiten nun im zweijährigen Vorhaben „Entwicklung eines neuartigen 3D-Druckverfahrens für Metallwerkstoffe basierend auf Elektrophotographie“ (ElPhoMet3D) zusammen, das ebenfalls durch das ZIM-Programm gefördert wird.

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