Die 3D-Drucktechnologie von Continuous Composites wirkt wie Hexerei, ist aber keine

Von Drew Turney
- 15. Jun 2016 - 5 min-LEKTÜRE
Mit freundlicher Genehmigung von Continuous Composites

Stellen Sie sich vor, man könnte im 3D-Druckverfahren und in nur einem einzigen Arbeitsschritt ein komplettes Auto, eine Gebäudewand, eine Flugzeugtragfläche oder eine andere, ähnlich komplexe Konstruktion fertigen —und zwar nicht nur das Metall, den Beton oder die Schale aus Kohlefaser, sondern gleichzeitig auch funktionstüchtige Strom- und Kraftstoffleitungen, Sanitärtechnik, Gummidichtungen und bewegliche Komponenten.

Klingt das nicht märchenhaft? Im Unternehmen Continuous Composites mit Sitz im amerikanischen Bundesstaat Idaho ist man der Ansicht, dass sich auf diesem Gebiet gerade eine Revolution anbahnt und die Wunschvorstellung demnächst Realität werden könnte.

Von Kohlefaser, Kevlar und Fiberglas bis Glasfaseroptik und Endlos-Kupferdraht hat das Unternehmen bereits die verschiedensten Werkstoffe verarbeitet. Seine Geheimzutat aber ist die Fähigkeit, mit mehreren Materialien gleichzeitig zu drucken, sodass das Bauteil einsatzfertig aus dem 3D-Drucker kommt. Continuous Composites bezeichnet dieses Verfahren als kontinuierliche und skalierte Fertigung – sie geht einen Schritt weiter als die herkömmliche additive Fertigung.

continuous composites Ken Tyler
Ken Tyler. Mit freundlicher Genehmigung von Continuous Composites.

Wie Sie sich vorstellen können (und wie das Unternehmen auf seiner Internetpräsenz nahelegt), ergeben sich für diese Technologie beinahe unendlich viele Einsatzmöglichkeiten. Jeff Beebout, CEO von Continuous Composites, und sein Chief Technology Officer Ken Tyler sind bereit, sich jeder einzelnen davon zu stellen: „Prototyping und Proof of Concept haben wir hinter uns, jetzt geht es um die Marktreife.“

Ken Tyler lernte den 3D-Druck in den Anfangsjahren der Technologie kennen – einen Abschluss in Informatik und Erfahrungen mit CAD-Software konnte er da schon vorweisen. Als ihn sein ganz persönliches Aha-Erlebnis ereilte, war er in der Schiffsbranche tätig. „Ich beschäftigte mich mit der sogenannten Maker-Bewegung und den Möglichkeiten der Kunststoffschmelze, und mir wurde klar: ‚Das muss doch noch besser gehen‘“, erzählt er.

Ähnlich wie einst Sir Isaac Newton von seinem legendären Apfel buchstäblich vor den Kopf gestoßen wurde, hatte Tyler eine unangenehme Zufallsbegegnung mit einem Fiberglasteil, das er am Abend zuvor angefertigt hatte. Ein überstehender Faserstrang aus Epoxidharz bohrte sich ihm in die Haut. „Es tat verdammt weh“, erinnert er sich. „Ich dachte: ‚OK, was soll‘s, warum benutzen wir nicht dieses Zeug zum Drucken?‘“

Daraufhin erforschte untersuchte Ken Tyler ultraviolettes (UV-) Licht zum Aushärten von Epoxidharzen (ein gängiges Verfahren in der Massenproduktion von Elektronikartikeln) und fragte sich, warum man es nicht auch für Epoxidharze in der 3D-Drucktechnologie anwenden könnte. Während er also in der Schiffsbranche drei Jobs gleichzeitig machte, verbrachte er die Nächte damit, eine entsprechende Patentanmeldung zu verfassen. Und so entstand das Fundament für Continuous Composites.

continuous composites UV light
Das blaue Leuchten stammt vom UV-Licht. Mit freundlicher Genehmigung von Continuous Composites.

Ein wesentliches Element dieses Fundaments: die duromere Struktur des Epoxidharzes, mit dem das Unternehmen arbeitet. „Es ist viel leistungsfähiger“, erläutert der Chief Technology Officer. „Die molekulare Form von Kunststoff unterscheidet sich beim Erhitzen und Abkühlen im Grunde genommen nicht voneinander, aber wenn ein Epoxidharz aushärtet, kommt es zu einer chemischen Reaktion und einer neuen molekularen Form. Es verbindet sich besser als Kunststoff mit anderen Werkstoffen.“

Mit UV-Licht lassen sich Epoxidharze sofort aushärten. Auf diese Weise entsteht viel schneller eine feste Molekülbindung zwischen Werkstoff und Grundmatrix als bei den meisten 3D-Extrusionsverfahren. Aufgrund dieser Eigenschaft kann Continuous Composites individuelle Formen wie z. B. Bögen im freien Raum drucken.

All diese Elemente formen die Grundlage für die Behauptung des Unternehmens, sein Verfahren sei zehn Mal schneller als das seiner nächstbesten Wettbewerber. „Derzeit drucken wir knapp 230 cm pro Minute, aber wir sollten bald in der Lage sein, bis zu 3.050 cm pro Minute zu drucken“, meint Ken Tyler. Das macht natürlich keinen spürbaren Unterschied, wenn man kleine Bürohelfer aus Kunststoff fertigt. Aber weitet man das Konzept auf ein Containerschiff, ein mehrgeschossiges Bürogebäude einschließlich unzähliger Sanitär- und Elektroinstallationen oder eine Pipeline mit integrierter Sensortechnik, Steuerungselementen und leitfähigen Materialien für Anwendungen wie das Hochgeschwindigkeitstransportsystem Hyperloop aus, leuchtet schnell ein, was daran so reizvoll ist.

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Zudem spart das Verfahren Zeit, da ein komplettes Bauteil mit all seinen Komponenten hergestellt und sie nach der Fertigung nicht noch montiert werden müssen. Ein Arbeitsgang mit dem 3D-Drucker, und alle Komponenten sind integriert.

Abgesehen von einigen sehr speziellen 3D-Druckverfahren (sicher haben Sie schon über die bedarfssynchrone Bereitstellung von menschlichem Gewebe und Organen gelesen), verwenden bislang die meisten Fertigungsunternehmen thermoplastische Kunststoffe. Aber mit dem von Continuous Composites entwickelten Verfahren lässt sich beinahe jedes gewünschte Objekt mit faserhaltigen Bändern oder röhrenförmiger Struktur ausdrucken. Die überwiegende Anzahl aller 3D-Drucker sind mit einer einzigen Extrusionsdüse ausgestattet, aber Tyler erzielt bei seinen Experimenten mit acht oder 16 Düsen auch eine wunderbar ebene Oberfläche.

Als wären Geschwindigkeit und überragende Leistung noch nicht genug, versucht man bei Continuous Composites auch, den 3D-Druck von den gängigen Systemen mit einer Düse und Führungsschienen zu lösen. Bestimmt haben Sie schon einmal gesehen, wie ein Druckkopf langsam Schicht um Schicht eines Rennwagens oder Sturmtrupplerhelms aus Polymeren aufbringt. Nun stellen Sie sich stattdessen ein System vor, bei dem ein Druckkopf (oder mehrere) dem Weg des gedruckten Bauteils folgt und dabei die gleiche Technologie eingesetzt wird, mit der auch Kameraroboter durch Rohre kriechen – sie eignet sich ideal für Biegungen und Röhren.

„Und genau das wird die Menschen begeistern: 16 Druckköpfe, die innerhalb eines Tages ein ganzes Gebäude hochziehen“, erklärt Ken Tyler. „Wenn es weiterhin gut läuft, werden wir in ein paar Jahren in der Lage sein, dieses und ähnliche Projekte zu realisieren.“

continuous composites multimaterial strand with copper
Dieser Faserstrang wurde im 3D-Druckverfahren aus Kupfer und weiteren Werkstoffen gefertigt. Mit freundlicher Genehmigung von Continuous Composites.

Das Verfahren bildet auch einen guten Nährboden für die Grundlagen der generativen Gestaltung. Eines der größten Probleme, die Tyler beim 3D-Druck sieht, sind Schwachstellen, die sich aus der Art und Weise ergeben, wie das Material auf die vorhergehende Schicht aufgetragen wird. Die Rechenalgorithmen der generativen Gestaltung eignen sich seiner Meinung nach sehr gut dazu, diese Schwächen auszumerzen.

„Es ist perfekt, denn es wird uns in die Lage versetzen, die Ausrichtung der Fasern so auf die wirkenden Kräfte abzustimmen, dass die Materialzwänge überwunden werden“, so Ken Tyler. „Dank dieser präzisen Kontrolle über die Faserausrichtung im Verbund mit außerordentlich leistungsfähigen Software-Tools werden wir wirklich beeindruckende Objekte schaffen können.“

Nun, da Continuous Composites seine Killerapplikation auf die Welt loslassen wird, beschäftigt man sich im Unternehmen bereits mit der nächsten Phase. Aber unabhängig davon, ob es seine Technologie per Lizenzvergabe an stärker etablierte Marktteilnehmer überträgt, expandiert und den Vertrieb selbst übernimmt, oder ob es beide Möglichkeiten kombiniert, eines steht auf jeden Fall fest: Mit diesen innovativen Verfahren rücken maßgeschneiderte Produkte à la Star Trek-Replikator einen Schritt näher.

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