Die Entwicklung der selbst replizierenden Maschine – der nächste Schritt in der Entwicklung fortschrittlicher, kostengünstiger 3D-Drucker

Eine immer größere Anzahl relativ kostengünstiger 3D-Drucker vieler Hersteller schafft in Kürze die technologischen Grundlagen für ein entscheidendes Instrument in der Prototypfertigung bei der Projektierung und Entwicklung elektronischer und elektromechanischer Produkte. Einen bedeutenden Fortschritt im Bereich des 3D-Drucks stellt aber die selbst replizierende Maschine dar. Das so genannte RepRap Projekt (Replicating Rapid Prototyper) profitiert als Initiative von der Open-Source-Bewegung zur gemeinschaftlichen Entwicklung einer Maschine, die den größten Teil der eigenen Komponenten selbst drucken kann. Zu relativ niedrigen Kosten ist der 3D-Druck somit für jedermann zum Greifen nahe.

 

RepRap Drucker – die Technologie von heute

RepRap Drucker (der neueste ist der „Ormerod“) setzen das FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) ein, das auch als Fused Deposition Modelling bezeichnet wird. 3D-Gegenstände werden dabei aus extrudierten Thermoplasten hergestellt: Kunststoffstränge werden im Prinzip durch ein additives Fertigungsverfahren in feinen Schichten aufgetragen. Genauer ausgedrückt wird eine Spule mit biologisch abbaubarem polyesterartigem PLA-Material einer beheizten Kammer zugeführt und über die kleine Öffnung einer computergesteuerten Kunststoffkleberpistole ausgestoßen: Dadurch entsteht die erste Schicht auf einer Grundplatte. Diese wird anschließend ein wenig nach unten verlagert, so dass die zweite Schicht über der ersten aufgebracht werden kann und so weiter. Ein Überblick über das bei den RepRap Druckern eingesetzte Verfahren ist unten zu sehen.

Der RepRap 3D-Druckvorgang (mit freundlicher Genehmigung von reprap.org)

 

Der nächste Schritt – Mischen von Materialien

Nahezu alle kostengünstigen 3D-Drucker verarbeiten heute nur ein einziges Material. Es gibt wenige, die mehrere Materialien verarbeiten, allerdings geschieht dies separat; wenn zum Beispiel ein rotes und ein blaues Material aufgetragen werden soll, lässt sich ein Gegenstand drucken, der rote und blaue Bereiche aufweist.

Der aktuelle RepRap Ormerod ist ein monochromer, d.h. für ein Material geeigneter 3D-Drucker, der für die Verarbeitung von jeweils nur einem Kunststoff konfiguriert ist. Er ist jedoch so ausgelegt, dass mit der nächsten Entwicklungsstufe herkömmliche mehrmaterialfähige Drucker übersprungen werden und ein Drucker entsteht, der Materialgemische verarbeiten kann. Dieser wird dann bei Zuführung rotem und blauem Material in der Lage sein, in Rot, Blau oder einer beliebigen Farbtonmischung von Purpur zu drucken.

Er mischt dann aber nicht nur zwei Materialien, sondern fünf. Wenn dann beispielsweise Weiß, Schwarz, Cyan, Magenta und Gelb zugeführt wird, kann er jede beliebige Farbe drucken. Um die Erwartungen aber auf das richtige Niveau zu drosseln, muss man allerdings zugeben, dass das FFF-Verfahren bei RepRap Druckern nicht die spontanen scharfen Farbübergänge erzeugen kann, die bei einem Foto zu sehen sind, das von einem Tintenstrahldrucker gedruckt wurde.

Die Farbe ist jedoch noch nicht das Ende der Fahnenstange.

Es lassen sich zwar nicht alle Materialien gut mischen, jedoch gibt es eine Reihe mischbarer Kunststoffe, die gedruckt werden können und die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen: Manche sind relativ weich und biegsam, anderer hingegen sind eher hart und steif. Durch das Verändern eines Mischverhältnisses können Gegenstände gedruckt werden, die das gewünschte Maß an Steifigkeit an jedem beliebigen geometrischen Punkt des betreffenden Gegenstands aufweisen. Der Aufbau von Objekten mit abgestuften mechanischen Eigenschaften ist interessanterweise wie ein Trick, der auch von Lebewesen angewendet wird, die auf mikroskopischer Ebene Kontrolle ausüben und sich aus Zellen zusammensetzen. Ein menschlicher Kopf enthält zum Beispiel einen starren Schädelknochen und zugleich eine biegsame Nase aus Knorpelmaterial. Knochen und Knorpel bestehen aus ähnlichen Materialien. Wenn sie aber in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt werden, entstehen Teile mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften.

Bei RepRapPro Ltd wird dahingehend zurzeit an einem Extrusionskopf bzw. einer Düse gearbeitet, die das Mischen unterschiedlicher Materialien ermöglicht, um eine Kombination mechanischer Eigenschaften und Farben hervorzubringen. Aufbauend auf den Forschungsbeiträgen von Studenten der Universität Bath (Berichte liegen hier vor) ist der RepRap Mischextruder-Prototyp in der Lage, mehrere zugeführte PLA-Fasern (Polylactide) zu Materialien zu verarbeiten, die weitere Farben und/oder mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Software und Firmware wurde basierend auf einem bestehenden RepRap Drucker an die Voraussetzungen des neuen Mischextruderdesigns angepasst. Vorführobjekte in vielen verschiedenen Farben sowie Gegenstände mit schrittweise veränderlichen Materialeigenschaften wurde mit Mischkopf-Prototypentwicklungen bereits hergestellt.

Durch die Entwicklung dieser Fasermischmöglichkeit konnte das RepRap Projekt einen entscheidenden Schritt vorwärts zurücklegen und eine schnelle und einfache Herstellung bunter Gegenstände sowie den Aufbau erheblich aufwändigerer Komponenten aus harten und weichen Kunststoffen ermöglichen. Die Entwicklung führt das Projekt auch näher an das Ziel heran, die Möglichkeiten der FFF-Herstellung als 3D-Druckverfahren umfassend auszuschöpfen und letztendlich dafür zu sorgen, dass ganz unterschiedliche Werkstoffe kombiniert werden können, z. B. Metalllegierungen oder Kunstharze in Verbindung mit Thermoplasten, und das in nur einem Herstellungsprozess.

 

Das RepRap Projekt

Gegründet wurde das RepRap Projekt im Jahr 2004 von Adrian Bowyer, als dieser als leitender Akademiker am Maschinenbau-Institut der Universität Bath tätig war. Heute ist er Direktor der Firma RepRapPro Ltd, die zu den Unternehmen gehört, die sich mit dem RepRap Projekt beschäftigen.

Bowyer zufolge besteht eine symbolische Beziehung zwischen RepRap Maschinen und den Menschen: Die Maschinen sind wie Blumen, die die Insekten mit Nektar versorgen, nur beliefern sie die Menschen mit Waren; die Menschen sind wie die Insekten, die zur Vervielfältigung der Blumen beitragen, nur dass sie die RepRap Maschine zusammenbauen. Im Gegensatz zu Blumen und Insekten entsteht die selbst replizierende Maschine jedoch nicht durch eine zufallsorientierte Mutation. Sie verändert sich durch selektive Züchtung genau so, wie wir aus Wölfen Hunde gemacht haben. Der Aufbau der Maschine wird sich im Laufe der Zeit unweigerlich und mit voller Absicht verbessern und der Drucker wird vielleicht noch präziser arbeiten oder sich noch einfacher herstellen lassen. Da die Konstruktionsdateien von der RepRap Gemeinschaft uneingeschränkt zur Verfügung gestellt werden, erzielen die besseren Konstruktionen eine größere reproduktive Eignung und finden somit größere Verbreitung.

Während die RepRap Maschine all ihre Kunststoffkomponenten selbst herstellen kann, ist es aber entscheidend für das Projekt, dass alle anderen Bauteile, die für die Herstellung eines Maschinenduplikats benötigt werden – wie etwa Elektromotoren, Elektronikbaugruppen und diverse andere Materialien wie Metallgewindestangen – zwei Eigenschaften aufweisen müssen: sie müssen vergleichsweise kostengünstig und einfach zu beziehen sein, und sie müssen Jedermann überall auf der Welt frei verfügbar sein.