Physik  |  Technik

 

Yann Koller, 2005 | Schöfflisdorf, ZH
Corsin Kuhn, 2005 | Regensberg, ZH
Simon Weibel, 2005 | Schöfflisdorf, ZH

 

PBF-LB ist ein additives Fertigungsverfahren (3D-Druck), bei dem Pulver schichtweise auf eine Druckfläche aufgetragen und mit einem Laser an vordefinierten Orten verschmolzen wird. Schicht für Schicht entsteht ein Bauteil, das eine hohe Komplexität aufweisen kann. Für das PBF-LB-Verfahren mit Metall gibt es Maschinen, die mit zwei oder mehr Materialien drucken können. Unser Ziel war es, dies auch mit Polymeren und Zucker zu realisieren. Zucker ist ein nachhaltiger Rohstoff, der zusätzlich wasserlöslich ist, was eine einfache Materialtrennung ermöglicht. Er könnte im PBF-LB-Verfahren als Stützmaterial dienen, speziell in Hohlräumen, die nicht gut von Kunststoffpulver befreit werden können. Es wurden verschiedene Zuckerarten auf Laserabsorption und ihre thermischen Eigenschaften getestet. Saccharose (Haushaltszucker), wies ungenügende Eigenschaften auf. Unsere Arbeit konnte zeigen, dass eine Mischung aus Isomalt und Graphit das höchste Potential hat für den Einsatz im 3D-Druck. Dazu wurde eine PBF-LB-Maschine entwickelt und gebaut. Der Drucker wurde im CAD entworfen und alle mechanischen Komponenten wurden selbst hergestellt und zu einem Drucker vereint. Für die Ansteuerung wurde eigene Software und Elektronik entwickelt. Durch mehrere Versuche wurden die Teilsysteme optimiert, sodass das Gesamtsystem zuverlässig funktionierte.

Fragestellung

Die zentrale Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung einer PBF-LB-Maschine, die sowohl Polymere als auch Zucker verarbeiten kann. Daher musste getestet werden, ob Zucker grundsätzlich für dieses Verfahren geeignet ist und, falls ja, welche Zuckerarten sich am besten für den Druckprozess eignen.

Methodik

Die Maschine wurde im CAD konstruiert. Es wurden verschiedene Metallbearbeitungsmaschinen verwendet, um die Einzelteile des Druckers herzustellen. Der Rahmen des Druckers ist aus Aluminiumprofilen aufgebaut, worauf die Baugruppen befestigt wurden. Die Firmware für den Drucker ist eine Konfiguration von Marlin. Da direkte Druckversuche mit Haushaltszucker keine Erfolge lieferten, wurden zahlreiche Materialtests mit verschiedenen Zuckerarten durchgeführt. Die thermischen Eigenschaften wurden in einem Backofen getestet. Dabei wurde untersucht, ob die Zucker schmelzen, bevor sie sich zersetzen. Ausserdem wurden Transmissionstests mit einer Laserdiode durchgeführt. Dabei wurde gemessen, wie gross der Anteil des Laserlichts ist, der durch Platten verschiedener Zuckerarten hindurchdringen kann. Zusätzlich wurde dem Zucker Graphit zugemischt, um die Absorption zu erhöhen.

Ergebnisse

Die Tests mit Haushaltszucker in der Maschine lieferten uneinheitliche Ergebnisse. Das wissenschaftliche Vorgehen konnte belegen warum. Hierbei haben die thermischen Tests gezeigt, dass Polysaccharide nicht für das PBF-LB-Verfahren geeignet sind, da sie sich thermisch zersetzen. Die Monosaccharide Glucose und Isomalt sind gut geschmolzen. Isomalt ist jedoch besser geeignet, da es eine höhere Hitzebeständigkeit aufweist. Bei den optischen Messungen wurde festgestellt, dass die Transmission von Glucose und Isomalt ähnlich hoch ist. Die Absorption war insgesamt aber noch verbesserungsfähig, so dass ein Isomalt-Graphit-Gemisch entwickelt wurde, welches eine messbare tiefere Transmission aufwies.

Diskussion

Alle Teilsysteme des Druckers funktionieren weitgehend. Besonders mit den mechanischen Teilsystemen sind wir zufrieden. Einzig die Oberflächenheizung und das Optiksystem weisen Schwierigkeiten auf. Die Oberfläche wird nicht gleichmässig genug beheizt, was zu verschiedenen Problemen geführt hat. Zudem ist der Laser nicht exakt auf die Druckoberfläche fokussiert, wodurch das Material nicht optimal geschmolzen wird. Bei den Zuckertests sind nur qualitative Aussagen über die Transmission möglich. Trotzdem konnte klar festgestellt werden, dass das Isomalt-Graphit-Gemisch weniger Transmission zulässt als reines Isomalt und geeignete thermische Eigenschaften aufweist.

Schlussfolgerungen

Wir konnten zeigen, dass es grundsätzlich möglich ist, Zucker im PBF-LB-Verfahren zu verwenden. Für eine zuverlässigere Umsetzung sind weitergehend zwei Optimierungen nötig: Einerseits eine gleichmässigere Heizung der Druckoberfläche. Dazu müssten mehrere Punkte auf der Oberfläche gemessen werden und die Heizung dementsprechend angepasst werden. Andererseits die Fokussierung des Lasers. Diese könnte hauptsächlich durch hochwertigere Optikkomponenten verbessert werden. In Bezug auf den Zucker kann klar festgestellt werden, dass die Isomalt-Graphit-Mischung die besten thermischen und optischen Eigenschaften aufweist. Sie ist somit die vielversprechendste Zuckermischung für weiterführende Forschung.

 

 

Würdigung durch den Experten

Dr. Briac Lanfant

Mr. Koller, Mr. Kuhn and Mr. Weibel have demonstrated with their work a a broad range of R&D and engineering knowledges and skills in machine development and materials science.
They succeed in building a functional PBF-LB prototype and conducted a preliminary study addressing the problem of support structures in 3D printing of polymers.
Their insightful approach led to identify sugar as relevant material, as it is low cost, water soluble and sustainable. They methodical testing of different type and mixtures of sugars paves the way for promising future works on this topic.

Prädikat:

hervorragend

Sonderpreis «MILSET Expo-Sciences International (ESI)», gestiftet von der Metrohm Stiftung

 

 

 

Kantonsschule Zürcher Unterland, Bülach
Lehrer: dipl.math.eth Raphaël Hersberger