DIMAP

Publikation BMBF 09/2019


Ob ein menschlicher Unterkiefer aus Titan oder eine künstliche Aortaklappe – nicht nur im Gesundheitswesen revolutioniert der 3-D-Druck die Behandlungsmethoden. Mit den Materialien für diese Form der Fertigungstechnik beschäftigte sich das Forschungsprojekt DIMAP: Es wurden Silber- und Keramik-Nanopartikel mit hervorragender Leitfähigkeit, Hochleistungspolymere und schäumbare Tinten für Leichtbauanwendungen entwickelt und optimiert.

Ziel von DIMAP (Novel nanoparticle enhanced Digital Materials for 3D Printing and their application shown for the robotic and electronic industry) war es, den Anwendungsbereich und die Möglichkeiten des Multimaterial- 3-D-Drucks zu erweitern. Es ist gelungen, 3-D-Druckmaterialien für die PolyJet™-Technologie mit völlig neuen Eigenschaftsprofilen zu definieren und nanotechnologisch weiterzuentwickeln. Dabei handelt es sich um:

• elektrisch leitfähige Tinten mit Silbernanopartikeln
• thermisch leitfähige Tinten mit keramischen Nanopartikeln
• schäumbare Tinten für Leichtbauanwendungen
• Hochleistungtinten aus Polyimid

Für den Druck dieser Materialien wurde eine spezifische Druckerarchitektur realisiert.
Neue Möglichkeiten mit neuen Materialien
3-D-Drucker fertigen heute mehr als Plastikteile – auch Edelstahl, Aluminium oder Titan können verarbeitet werden. Diese Form der additiven Fertigung (im Gegensatz steht die subtraktive Fertigung, die durch Fräsen oder Sägen etwas wegnimmt) verlangt Materialien, die auf die jeweilige Anlagentechnik abgestimmt sind. Zwar besitzt die PolyJet™- Technologie mit der Fähigkeit des Multimaterialdrucks eine herausragende Eigenschaft im Feld der 3-D-Druck-Technologien, die eine beispiellose Funktionsintegration innerhalb eines Printvorgangs ermöglicht. Allerdings wären vielfältigere Materialeigenschaften wünschenswert, und auch mangelnde Haltbarkeit der Materialien war bisher eine wesentliche Schwäche des Prozesses.

An diesem Punkt setzen die 12 Konsortiumspartner an. Das internationale Team mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Israel, den Niederlanden, Österreich, Spanien und Deutschland hat sich zum Kernziel gesetzt, mit neuen Materialien neue Möglichkeiten zu schaffen. Sie haben Silber- und Keramiknanopartikel in den Druckprozess integriert und Designstrategien ausgearbeitet, um bessere Produkteigenschaften zu erzielen – eine äußerst anspruchsvolle und komplexe Aufgabe.

Der erste Schritt war die Analyse der Anforderungen an das Material. Dementsprechend wurden passende Rezepturen von den Partnern entwickelt. Durch Beigabe von abgestimmten Nanopartikeln konnte das Ergebnis optimiert werden. Unterstützt wurde die Entwicklung der neuen Materialien durch computerbasierte Simulationsmodelle. So entstanden vier neue Tinten, die dem 3-D-Druck z. B. in der Elektroindustrie neue Spielräume eröffnen:

• elektrisch leitfähige Tinten mit Silbernanopartikeln, zum Drucken von Leiterbahnen und elektrischen Komponenten
• thermisch leitfähige Tinten mit keramischen Nanopartikeln, etwa für die Kühlung von LEDs
• schäumbare Tinten für Leichtbauanwendungen und geringen Materialverbrauch
• Hochleistungstinten aus Polyimid für sehr hohe Temperaturbeständigkeit und exzellente chemische Beständigkeit

Unter den Ergebnissen, die das Forschungskonsortium hervorhebt, ist der erste Druck eines polyimidbasierten Materials auf einer PolyJet™-Maschine. „Die DIMAP-Polyimide zeichnen sich durch sehr hohe Temperaturbeständigkeit und sehr gute dielektrische Eigenschaften aus“, betont Thomas Lück, der bei dem Heimsheimer Unternehmen und DIMAP-Konsortialpartner cirp GmbH als Leiter für Vertrieb und Innovationen verantwortlich ist.

Des Weiteren ist es gelungen, silberbasierte Tinten im Druckprozess leitfähig zu sintern – darunter versteht man das Erhitzen eines Werkstoffes zur Veränderung der Struktur, was wiederum die Integration der vorgefertigten Komponenten erleichtert. Während die elektrisch leitfähigen und die Hochleistungs-Polyimid-Tinten im Projekt bereits einen sehr hohen Reifegrad erreichten, verblieben die keramischen und die schäumbaren Tinten in einem labormäßigen Entwicklungsstatus. Sie konnten deswegen noch nicht in die Demonstratoren verbaut werden. Die Verarbeitung der DIMAP-Materialien erfolgte auf einem prototypischen DIMAP-Polyjet-Drucker, der bei drei verschiedenen Projektpartnern zum Einsatz kam. Dadurch konnten die verschiedenen Arbeitspakete parallel bearbeitet und dann gemeinsam fokussiert werden. Die Hardware und die Software zur Verarbeitung der DIMAP-Materialien wurden in vielen Teilen neu aufgebaut.

„Das Projekt führte zu einem signifikanten Know-how- Zuwachs innerhalb der cirp GmbH und mündete in einem Ausbau des Unternehmens mit neuem Personal“, sagt Thomas Lück. „Für unser Dienstleistungsspektrum ist es elementar, auf dem neuesten Stand der Technik zu sein und damit Angebote zu führen, die Alleinstellungsmerkmale besitzen. Aus der Zusammenarbeit in Forschungsprojekten entstehen immer wieder Kooperationen, die die Entwicklung nachhaltig verbessern.“

Das Unternehmen ist zuversichtlich, dass die neuen DIMAP-Materialien mit recht hohem Reifegrad schon bald das Dienstleistungsspektrum des mittelständischen Unternehmens erweitern. Zudem haben sich durch die zahlreichen Erfolge innerhalb des DIMAP-Projekts, die vor allem auf der fruchtbaren multidisziplinäre Zusammenarbeit über Grenzen hinweg erreicht wurden, bereits verschiedene mögliche Folgeprojekte ergeben. Unter anderem wird ein DIMAP-Anschlussprojekt anvisiert. Des Weiteren ist geplant, mit den DIMAP-Versuchsdruckern bei den jeweiligen Partnern weiterführende Experimente durchzuführen.

DIMAP

Projektlaufzeit: 01.10.2015–30.09.2018
Projektvolumen: 4 997 351,25 Euro
Projektvolumen: 4 997 351,25 Euro
EU-Förderung: 4 997 351,25 Euro
Website zum Projekt:  dimap-project.eu   (dimap-project.eu)
Ansprechpartner: Thomas Lück, cirp GmbH
Konsortium:

• Koordinator: Profactor GmbH, Österreich
• Stratasys Ltd., Israel
• Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland
• Borealis Polyolefine GmbH, Österreich
• Tiger Coatings, Österreich
• Festo AG & Co. KG, Deutschland
• Universit ät Linz, Österreich
• Soreq Nuclear Research Center, Israel
• cirp GmbH, Deutschland
• P.V. Nano Cell Ltd., Israel
• Tecnología Navarra de Nanoproductos S.L., Spanien
• Signify Netherlands BV, Niederlande

Publikation "Tinten mit exquisiten Eigenschaften"  [74 KB]

 Weitere Informationen zum Bundesministerium für Bildung und Forschung   (www.bmbf.de)