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28.07.2017

Nanoschweißen stabilisiert additive Fertigung

Heiße Kohlenstoffröhrchen verbinden Schichten

3D-gedruckte Teile entstehen aus übereinanderliegenden Schichten oder aneinandergelegten Filamenten. So erzielt die generative Fertigung komplexe Geometrien. Doch die unvollkommene Verbindung an den Berührungsstellen schafft bei Komponenten insbesondere aus wärmeempfindlichen Kunststoffen Stabilitätsprobleme.

„Ich weiß, dass die ganze Industrie mit diesem Problem zu kämpfen hat“, sagt Brandon Sweeney von der Texas A&M University. Eine grundsätzliche Lösung wäre, die Schichten durch Erhitzen stärker miteinander zu verschweißen. Das ist bei Kunststoff aber eine Gratwanderung, da eine Schädigung des Bauteils durch Hitze vermieden werden muss.

Mit Mikrowellen (nur) lokal schweißen

Weiterentwicklung des LIRF-Schweißens: Brandon Sweeney (l.) mit seinem Kollegen Blake Tiepel bei Tests mit dem neuen Material (© Texas A&M University)

Die Lösung sehen Sweeney und seine Kollegen darin, gezielt nur die Kunststoffoberflächen zu erhitzen und so die sich berührenden Stellen zu verschweißen: Der Trick dabei ist, z.B. das Kunststoff-Filament, das die Ausgangsbasis generativ gefertigter Teile darstellt, mit einem dünnen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu umhüllen, indem man es beispielsweise durch eine flüssige Lösung solcher Nanoröhrchen zieht. Untersuchungen der US-Forscher ergaben, dass die Nanoröhrchen nicht ins Innere der Filamente eindringen.

Von den Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist bekannt, dass sie Mikrowellen extrem gut absorbieren. Mikrowellenstrahlung erhitzt daher im Bauteil vor allem die Nanoröhrchen, so dass die Filamente an der Oberfläche aufschmelzen und sich gut miteinander verbinden, wo immer sie sich berühren. Die Kohlenstoffröhrchen wirken also wie nanoskalige Heizelemente.

Fast dreimal stärker belastbar

In ersten Tests konnten die Wissenschaftler an Probekörpern aus Polylactid (PLA) zeigen, dass die im LIRF-Verfahren (locally induced radio-frequency) verschweißten 3D-gedruckten Bauteile erst bei einer um 275% höheren Belastung versagen wie ein Probekörper aus üblicher additiver Fertigung. Die Forscher, die das Verfahren zum Patent angemeldet haben, arbeiten derzeit daran, den Vorgang des Verschweißens direkt in den Druckvorgang zu integrieren. (kk)


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