Falten statt formen: ORNL-Verfahren spart 90 Prozent der Fertigungskosten

Forscher:innen am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt, das die japanische Kunst des Origami als Konstruktionsprinzip nutzt. Das Ergebnis: komplexe Verbundstrukturen, die sich ohne kostspielige Formen herstellen lassen und dabei Fertigungszeit und Kosten um bis zu 95 beziehungsweise 90 Prozent senken.

Bild: Andrew Sproles/ORNL, U.S. Dept. of Energy

Flach gedruckt, dreidimensional gefaltet

Der Kern des Verfahrens ist ein sogenanntes Flat-to-Foldable-Konzept. Statt ein Bauteil in eine starre Form zu gießen oder zu pressen, druckt das Team um Projektleiter Steven Guzorek strukturelle Gitter direkt auf flexible Gewebeträger aus Nylon, Glasfaser oder harzinfundiertem Verbundmaterial. Dazwischen liegt eine Haftvermittlungsschicht aus thermoplastischem Polyurethan, die sicherstellt, dass die aufgedruckte Gitterstruktur und das Grundgewebe auf molekularer Ebene verschmelzen.

Das aufgedruckte Strukturgitter besteht je nach Anforderung aus carbonfaserverstärktem thermoplastischem ABS für leichte Bauteile oder aus duroplastischen Formulierungen auf Styrol- oder Epoxidbasis für höhere Steifigkeit und Langlebigkeit. Einmal gedruckt, lässt sich das flache Halbzeug in die gewünschte dreidimensionale Form falten. Formen oder aufwendige Nachbearbeitung entfallen vollständig.

Größer als der Drucker selbst

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens: Bauteile können größer sein als das Druckgerät, das sie erzeugt. Da die Panels flach gefertigt und erst anschließend gefaltet werden, entfällt die übliche Beschränkung durch den Bauraum des Druckers. Das senkt den Kapitalbedarf und eröffnet Möglichkeiten für großformatige Leichtbaustrukturen, die mit konventionellen Methoden wirtschaftlich kaum realisierbar wären.

ORNL betreibt die Manufacturing Demonstration Facility, an der das Verfahren entwickelt wurde, als nationales Kompetenzzentrum für fertigungstechnische Innovation, gefördert vom U.S. Department of Energy. Das Labor hat bereits ein Patent angemeldet und bereitet die Technologie für eine künftige Lizenzierung vor.

Anwendungen über Industriegrenzen hinweg

Guzorek sieht das Potenzial weit über einzelne Branchen hinaus: Die Technologie soll Hersteller:innen aus verschiedenen Sektoren zugänglich gemacht werden, um neue Konstruktionsmöglichkeiten zu erschließen. Konkrete Zielbranchen nennt das Team noch nicht, doch das Verfahren eignet sich grundsätzlich überall dort, wo leichte, formkomplexe Strukturen gefragt sind: von der Luft- und Raumfahrt über den Fahrzeugbau bis hin zur Architektur.

Konventionelle Verbundfertigungsverfahren liefern zwar robuste und langlebige Bauteile, erfordern aber häufig lange Vorlaufzeiten und teure Werkzeuge. Das ORNL-Verfahren umgeht diese Einschränkungen und könnte damit einen Paradigmenwechsel in der additiven Fertigung von Verbundwerkstoffen einleiten.

Mit dem Origami-Prinzip adressiert das ORNL-Team dabei ein grundlegendes Problem: Herkömmliche Formwerkzeuge müssen gelagert, gewartet und für jedes neue Design neu gefertigt werden. Die formlose Produktion macht diesen Aufwand obsolet und verkürzt den Weg vom Entwurf zum fertigen Bauteil erheblich.

via Oak Ridge National Laboratory