Die 3D-Drucktechnologie, auch als additive Fertigung bekannt, hat eine wahre Revolution in der Art und Weise gebracht, wie wir Objekte entwerfen und herstellen, von einfachen Prototypen bis hin zu komplexen Komponenten für die Luft- und Raumfahrt- sowie die medizinische Industrie. Doch trotz unglaublicher Fortschritte besteht eine erhebliche Lücke zwischen dem, was ein Computer entwirft, und dem, was ein 3D-Drucker tatsächlich produzieren kann. Diese Diskrepanz zwischen dem digitalen Entwurf und dem physischen Produkt stellt eines der größten Hindernisse für die breitere Anwendung dieser Technologie in kritischen Sektoren dar, in denen Präzision und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind. Entwürfe, die von fortschrittlichen Algorithmen erstellt werden, übersteigen oft die tatsächlichen Fähigkeiten der Fertigungsgeräte, was zu Teilen führt, deren tatsächliche Leistung von den Erwartungen abweicht. Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nun eine innovative Methode entwickelt, die diese Lücke überbrücken könnte, indem sie es der Design-Software ermöglicht, die physikalischen Einschränkungen von 3D-Druckern im Voraus zu berücksichtigen.

Das Problem an der Schnittstelle zwischen digitaler und physischer Welt

Im letzten Jahrzehnt hat die Verbindung neuer Design- und Fertigungstechnologien Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die biomedizinische Technik umgestaltet. In diesen Bereichen müssen Materialien extrem strenge Kriterien erfüllen, wie zum Beispiel spezifische Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse und andere Leistungsschwellen. Der 3D-Druck hat sich als eine Technologie hervorgetan, die die Herstellung von Teilen mit bisher unvorstellbaren inneren Strukturen ermöglicht und so die Tür zu leichteren, stärkeren und funktionelleren Komponenten öffnet. Eine der fortschrittlichsten computergestützten Designtechniken, die zu diesem Zweck eingesetzt wird, ist die Topologieoptimierung.

Die Topologieoptimierung ist ein algorithmischer Prozess, der innerhalb eines vorgegebenen Raums Material optimal verteilt, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen – zum Beispiel maximale Steifigkeit bei minimaler Masse. Die Ergebnisse sind oft organische, scheinbar zufällige Strukturen, die an natürliche Formen wie Knochen oder Zellnetzwerke erinnern und die wesentlich effizienter sind als solche, die mit traditionellen Methoden entworfen wurden. Sie wird verwendet, um Materialien mit optimierter Steifigkeit, Festigkeit, maximaler Energieabsorption, Flüssigkeitsdurchlässigkeit und vielen anderen Eigenschaften zu entwerfen. Jedoch stellt gerade diese Komplexität und Feinheit der Details, die die Topologieoptimierung generiert, eine Herausforderung für 3D-Drucker dar. Das Problem liegt in den physikalischen Einschränkungen des Druckprozesses selbst. Eine der Haupteinschränkungen ist die Größe des Druckkopfes, also der Düse, die das Material extrudiert. Wenn der Algorithmus beispielsweise eine Schichtdicke von 0,5 Millimetern vorgibt, die Düse des Druckers aber physisch nur eine Schicht von mindestens 1 Millimeter extrudieren kann, wird das Endprodukt deformiert und ungenau sein. Dieser Unterschied zwischen der digitalen Anweisung und der physischen Umsetzung führt zu unerwarteten Schwankungen in Masse und Dichte, was sich direkt auf die mechanischen Eigenschaften des Teils auswirkt.

Anisotropie: Die verborgene Schwäche des 3D-Drucks

Ein weiteres grundlegendes Problem ergibt sich aus der Art und Weise, wie 3D-Drucker Objekte bauen – Schicht für Schicht. Der Druckkopf bewegt sich über die Arbeitsfläche und extrudiert einen dünnen Faden geschmolzenen Materials. Jede neue Schicht wird auf die vorherige aufgetragen, die sich in der Zwischenzeit bereits abzukühlen begonnen hat. Aus diesem Grund ist die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten nicht so perfekt wie das Material innerhalb der Schicht selbst. Dieses Phänomen, bekannt als Anisotropie, bedeutet, dass die mechanischen Eigenschaften des Objekts von der Richtung der Krafteinwirkung abhängen. Das Teil wird in der Richtung, in der das Material gedruckt wurde (entlang der Drucklinien), wesentlich stärker sein, aber senkrecht zu den Schichten, an den Stellen, an denen die Schichten verbunden wurden, merklich schwächer. Dies schafft potenzielle Schwachstellen, an denen es unter Belastung zu Delamination oder Bruch kommen kann, selbst wenn die Belastung erheblich geringer ist als die, die das Material theoretisch aushalten sollte. Genau diese Diskrepanz zwischen den erwarteten und den tatsächlichen Eigenschaften des Materials stand im Fokus des Forschungsteams des MIT.

„Wenn diese Einschränkungen nicht berücksichtigt werden, können die Drucker entweder zu viel oder zu wenig Material auftragen, sodass Ihr Teil schwerer oder leichter als beabsichtigt wird. Dies kann auch zu einer erheblichen Über- oder Unterschätzung der Materialleistung führen“, erklärt Josephine Carstensen, außerordentliche Professorin am Fachbereich für Bau- und Umweltingenieurwesen und Leiterin der Forschung. „Mit unserer Technik wissen Sie, was Sie in Bezug auf die Leistung bekommen, da das numerische Modell und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen.“ Die Forschung wird detailliert in der wissenschaftlichen Zeitschrift Materials and Design beschrieben, in einem Artikel von Carstensen und dem Doktoranden Hajin Kim-Tackowiak.

Ein innovativer Ansatz: Die Einbeziehung von Unvollkommenheiten in das Design selbst

Anstatt zu versuchen, die Hardware des Druckers zu modifizieren, entschieden sich die Forscher für eine elegantere Lösung: der Design-Software die Unvollkommenheiten des Herstellungsprozesses „beizubringen“. „Wir haben erkannt, dass wir diese Einschränkungen von Anfang an kennen, und das wissenschaftliche Feld ist besser darin geworden, sie zu quantifizieren. Also dachten wir, wir könnten von Anfang an unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen entwerfen“, sagt Kim-Tackowiak. In einer früheren Arbeit entwickelte Professorin Carstensen einen Algorithmus, der Informationen über die Düsengröße des Druckers in den Designprozess von Balkenstrukturen integrierte. In dieser Forschung haben sie diesen Ansatz erweitert, um auch die Bewegungsrichtung des Druckkopfes und den daraus resultierenden Einfluss der schwachen Verbindung zwischen den Schichten zu berücksichtigen. Sie passten die Methode auch für die Arbeit mit komplexeren, porösen Strukturen an, die stark elastische Eigenschaften haben können.

Ihr Ansatz ermöglicht es den Benutzern, den Design-Algorithmen Variablen hinzuzufügen, die das Zentrum des aus der Düse extrudierten Materialfadens und die genaue Position der schwächeren Verbindungen zwischen den Schichten präzise berücksichtigen. Entscheidend ist, dass der Ansatz automatisch auch den optimalen Weg vorgibt, den der Druckkopf während der Produktion nehmen sollte, um negative Effekte zu minimieren. Auf diese Weise erstellt die Software keinen idealisierten Entwurf, sondern einen optimierten Plan, der bereits an die realen Fähigkeiten und Mängel eines bestimmten 3D-Druckers angepasst ist.

Bestätigung durch Experimente und reale Ergebnisse

Um ihre Technik zu testen, nutzten die Forscher sie, um eine Reihe sich wiederholender 2D-Designs mit unterschiedlichen Größen von hohlen Poren, also unterschiedlichen Dichten, zu erstellen. Diese Proben verglichen sie dann mit Materialien gleicher Dichte, die jedoch mit traditionellen Methoden der Topologieoptimierung hergestellt wurden, die die Einschränkungen des Druckers nicht berücksichtigen. Die Testergebnisse waren eindeutig. Materialien, die mit traditionellen Methoden entworfen wurden, wichen erheblich von ihrer vorhergesagten mechanischen Leistung ab, insbesondere bei Materialdichten unter 70 %. Andererseits zeigten Materialien, die mit der neuen Technik des MIT-Teams entworfen wurden, eine Leistung, die der im Computermodell vorhergesagten deutlich näher kam. Die Forscher stellten auch fest, dass konventionelle Designs während der Herstellung durchweg überschüssiges Material auftrugen, was die Teile schwerer und weniger effizient machte. Insgesamt führte der Ansatz der MIT-Wissenschaftler zu Teilen mit zuverlässigerer und vorhersagbarerer Leistung bei den meisten getesteten Dichten.

„Eine der Herausforderungen bei der Topologieoptimierung war, dass viel Fachwissen erforderlich ist, um gute Ergebnisse zu erzielen, sodass sich die Materialien, nachdem Sie das Design vom Computer übertragen haben, so verhalten, wie Sie es sich vorgestellt haben“, betont Carstensen. „Wir versuchen, es einfacher zu machen, diese hochpräzisen Produkte zu erhalten.“ Dieser Fortschritt könnte die Nutzung fortschrittlicher Designtechniken demokratisieren und die Abhängigkeit von erfahrenen 3D-Druck-Experten verringern, die bisher manuell eingreifen und die Entwürfe anpassen mussten, um die Einschränkungen der Maschinen zu kompensieren.

Die Zukunft von Design und Fertigung

Die Forscher glauben, dass dies das erste Mal ist, dass eine Designtechnik gleichzeitig sowohl die Größe des Druckkopfes als auch das Problem der schwachen Verbindung zwischen den Schichten berücksichtigt hat. „Wenn man etwas entwirft, sollte man so viel Kontext wie möglich verwenden“, betont Kim-Tackowiak. „Es war befriedigend zu sehen, dass das Einbringen von mehr Kontext in den Designprozess Ihre endgültigen Materialien präziser macht. Das bedeutet, es gibt weniger Überraschungen. Besonders wenn wir immer mehr Rechenressourcen in diese Designs investieren, ist es schön zu sehen, dass wir das, was aus dem Computer kommt, mit dem verbinden können, was aus dem Herstellungsprozess kommt.“

In zukünftiger Arbeit hofft das Team, seine Methode für Materialien mit höherer Dichte und für verschiedene Materialtypen wie Zement und Keramik zu verbessern, die ihre eigenen spezifischen Herausforderungen beim Drucken mit sich bringen. Dennoch betonen sie, dass ihr Ansatz bereits jetzt eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Techniken bietet. Die Wissenschaftler sagen, dass diese Arbeit den Weg für das Designen mit einer größeren Anzahl von Materialien ebnet. „Wir möchten, dass dies die Verwendung von Materialien ermöglicht, die die Leute vernachlässigt haben, weil das Drucken mit ihnen zu Problemen führte“, schließt Kim-Tackowiak. „Jetzt können wir diese Eigenschaften nutzen oder mit diesen ‚Macken‘ arbeiten, anstatt einfach nicht alle uns zur Verfügung stehenden Materialoptionen zu nutzen.“ Diese Innovation verbessert nicht nur die Zuverlässigkeit des 3D-Drucks, sondern verspricht auch, das volle Potenzial der additiven Fertigung freizusetzen und die Schaffung einer neuen Generation von Materialien und Produkten mit einer Leistung zu ermöglichen, die bisher nur in der Theorie erreichbar war.