Der 3D-Druck-Markt weitet sich aus und das Angebot von 3D-gedruckten Produk ten wird immer umfangreicher: von maschinellen Bauteilen über zahnmedizinische Produkte bis hin zu Organtransplantaten. Die Firma mz Toner Technologies entwickelt gemeinsam mit der TH Köln jetzt ein neues 3D-Druck -Verfahren auf Basis von Elektrophotographie, das unter anderem das Druck en im Weltraum ermöglichen soll.

Elektrophotographie ist das Verfahren, mit dem die meisten Drucker funktionieren. Dabei wird eine sogenannte Fototrommel innerhalb des Druckers komplett elektrisch aufgeladen. Ein Laserstrahl bildet anschließend das zu druckende Motiv auf dieser Trommel ab, indem er selektiv elektrische Ladungen löscht. Der Farbstoff haftet dort auf der Trommel, wo Ladungen übrig sind. Dieser wird auf das Papier übertragen und erzeugt so das am Ende sichtbare Bild.
Aufbauend auf seiner langjährigen Erfahrung mit der Elektrophotographie in anderen Anwendungen entwickelt das saarländische Unternehmen mz Toner Technologies GmbH & Co. KG gemeinsam mit einem Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger im Labor für Werkstoffe am Institut für Allgemeinen Maschinenbau der TH Köln ein elektrophotographisches 3D-Druck-Verfahren.
Hierfür wird das zu fertigende Bauteil zuerst mit einer Software in mehrere hauchdünne Schichten „zerschnitten". Statt des Farbstoffs sollen Polymerpartikel, also Kunststoffe, verwendet werden. Dabei können ein bis zehn Schichten, welche wenige Mikrometer dünn sind, übereinander auf eine Trägerfolie gedruckt und durch eine Walze vorverfestigt werden. Um das gewünschte Bauteil vollständig zu fertigen, werden im zweiten Prozessschritt mehrere dieser zuvor gedruckten Schichtpakete mit Hilfe einer Heizpresse miteinander verbunden.
Dabei entwickelt mz Toner im Rahmen des Projektes einen Prototyp des 3D-Druckers, während das Hochschulteam sich auf die für diesen Prozess geeigneten Materialien fokussiert.
Einsatz im Weltraum
Das Forschungsteam beider Partner konzentriert sich zunächst auf Kunststoffe, da es das 3D-Druck-Verfahren im H inblick auf den Einsatz für Raumfahrtstationen entwickelt. Kunststoffe eignen sich besonders für die Raumfahrt, da diese wenig wiegen und zugleich mechanisch belastbar sind.
Das elektrophotographische Verfahren soll so umgesetzt werden, dass es trotz fehlender Schwerkraft eingesetzt werden kann. Der Vorteil eines solchen 3D-Druckers in der Raumfahrt: Nicht alle Ersatzteile, die eventuell während einer Expedition benötigt werden, müssen mit auf das Raumschiff genommen werden. Sie können je nach Bedarf direkt vor Ort anfertigt werden. Dies spart Platz und Gewicht ein.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TH Köln stehen bezüglich des Einsatzes im Weltraum im Austausch mit der European Space Agency (ESA).
Alternative zum Spritzgussverfahren
Bisher konnten gängige 3D-Druck-Verfahren hinsichtlich der Geschwindigkeit nicht mit dem weit verbreiteten Spritzgussverfahren konkurrieren. Das könnte sich durch das neue Verfahren ändern. Denn für das Spritzgussverfahren werden teure Formen benötigt, die sich erst ab größeren Stückzahlen rechnen. Dies gefährdet einen möglichen Produktionsstart.
Das elektrophotographische Verfahren benötigt hingegen keine Formen und ermöglicht trotzdem eine hohe Stückzahl. ,,Der 3D-Druck mit Elektrophotographie ist für alle Werkstoffgruppen wie Kunststoffe, Metalle und Keramik geeignet, spart Gewicht, hat eine erhöhte Geschwindigkeit und bietet eine enorme Gestaltungsfreiheit wie den großzügigeren Umgang mit Farben", so Katrakova-Krüger. Dadurch ergibt sich neben der Raumfahrt als weiteres potenzielles Anwendungsfeld der Haushalts- und Elektrogerätemarkt, der bisher den Spritzguss für die Fertigung der Geräte und deren Bauteile nutzt.
Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Förderprogramms „zentrales Innovationsprogramm Mittelstand" gefördert und hat eine Laufzeit von zwei Jahren.
www.ceramictoner.com

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