Lösungsbasierte digitale Fertigung von Hochleistungs-Composite-Werkstoffen

Die Natur baut Strukturen, die erstaunlich stark, vielseitig und anpassungsfähig sind, wachsen und funktionieren in Reaktion auf ihre Umwelt – denken Sie an Bäume, Knochen und Chitin. Letzteres bildet sowohl die harten Schalen als auch die flexiblen Gelenke von Krustentieren. Natürliche Konstruktionen erzeugen wenig bis keinen Abfall, benötigen sehr wenig Energie und werden am Ende ihrer Lebensdauer recycelt. Im Gegensatz dazu sind menschliche Konstruktionen typischerweise präskriptiv, verbrauchen große Energiemengen, erzeugen giftigen Abfall und werdenmostly nicht recycelt. Laut EPA-Daten von 2018 beträgt die Recyclingquote nur 9 % für Kunststoffe (keine Änderung seit 2010), 25 % für Glas und 33 % für Metalle (beide rückläufig seit 2010). Obwohl digitales Design und Fertigung rasant fortschreiten und die Produktion anspruchsvoller, multifunktionaler Strukturen und Komponenten ermöglichen, haben diese Technologien in puncto Nachhaltigkeit noch nicht denselben Durchbruch erzielt.

Dies war Inspiration und Ziel des Water-Based Digital Fabrication Projects, das die Mediated Matter Group am MIT Media Lab (Cambridge, Massachusetts, USA) ab 2013 entwickelte. Diese Initiative schuf eine neuartige digitale Fertigungstechnologie, die die häufigsten natürlichen Materialien der Erde mit einem robotergeführten, mehrkammerigen Extrusionssystem kombiniert, das unterschiedliche Konzentrationen biokompatibler Lösungen ablagert – zunächst Chitin aus Krustentierschalen und Essigsäure –, um Strukturen mit anisotropen Eigenschaften zu erzeugen. Gradienten in mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften werden über Längenskalen von Millimetern bis Metern erzeugt, was nicht nur einzigartige Geometrien und Multifunktionalität, sondern auch das Potenzial für strukturelle Selbstmontage ermöglicht. So können nasse Ablagerungen so gestaltet werden, dass sie beim Trocknen Formen (z. B. Zylinder) annehmen, als Reaktion auf gerichtete Verdunstungsspannungen innerhalb der Mehrschicht-Composites.

Diese lösungsbasierte digitale Fertigung wurde als Brücke zwischen biologischer und gebauter Umwelt konzipiert, mit potenziellen Anwendungen in nachhaltigen Architekturpaneelen, recycelbaren Verpackungen, Konsumgütern oder leichten biologisch abbaubaren Autoteilen. Das MIT untersuchte später Composites mit Cellulose-Mikrofasern, Pektin, Algen und keramischen Nanoplatten. Was aber, wenn man diese wasserbasierte digitale Ablage mit den kontinuierlichen und kurzfaserverstärkten additiven Extrusionstechnologien kombinieren könnte, die heute im 3D-Druck von Composites rasant voranschreiten?

Warum Chitosan-Lösung?

Erste Experimente im Water-Based Digital Fabrication Project nutzten Chitosan, das aus Chitin gewonnen wird. Als zweithäufigstes natürliches Polymer der Erde nach Cellulose hat Chitin eine ähnliche chemische Struktur und bildet nicht nur die hochmoduligen, zähen Schalen von Krustentieren und Insekten, sondern auch das starke, aber flexible Gewebe in ihren Gelenken. Natürliche Materialien – insbesondere Polymere und Polysaccharide wie Chitin und Cellulose – bieten eine riesige erneuerbare Ressource, die in viel höheren Raten produziert wird als synthetische Polymere, erklärt Laia Mogas-Soldevila, eine der führenden MIT-Forscherinnen in diesem Projekt. Sie betont, dass Polysaccharid-Derivate bestehende petrochemische Polymere ersetzen könnten, neue Eigenschaftskombinationen ermöglichen und nachhaltigere Fertigung erlauben.

Mogas-Soldevila gibt in ihrer Dissertation 2015 „Water-based digital design and fabrication: Material, product, and architectural explorations in printing chitosan and its composites“ einen hervorragenden Überblick über die MIT-Technologieentwicklung. Sie erläutert, dass die Idee zur lösungsbasierten digitalen Fertigung aus der Untersuchung von Tintenstrahl- und Düsen-basierten Biofabrikationsmethoden zur Herstellung weicher Materialien als Gerüste für Gewebewachstum entstand.

Man entschied sich für düsenbasierte 3D-Ablage von Chitosan-Pulver, verarbeitet zu einem Gel bei Gewichts-Volumen-Konzentrationen (w/v) von 1–12 % mittels 4 % w/v Essigsäure in wässriger Lösung. Diese Hydrogele reichten von einer durchscheinenden Flüssigkeit mit Viskosität wie wässriger Honig bei 3 % Konzentration bis zu einem undurchsichtigen Material mit der Konsistenz von Naturkautschuk bei 12 % (Abb. 1). Erste Ergebnisse von abgelagerten und getrockneten Chitosan-Filmen zeigten eine Zugfestigkeit von 40 Megapascal, was Mogas-Soldevila als vergleichbar mit Nylon-Polymer oder Holz in Faserrichtung beschrieb. Strukturen wurden bei Raumtemperatur gefertigt und ausgehärtet.

Neuartige digitale Fertigungsplattform

Die maßgeschneiderte robotergestützte additive Fertigungsplattform, die das MIT für die Ablage der Chitosan-Gele konstruierte, kombinierte einen KUKA (Augsburg, Deutschland) Agilus KR1100 Sechs-Achs-Roboterarm (54 kg Plattform, 10 kg Nutzlast, ±0,03 mm Wiederholgenauigkeit) mit einem extrusionsbasierten Endeffektor. Der neuartige Endeffektor enthielt sechs Zylinder für die Chitosan-Gele, angeschlossen an ein computergesteuertes Druckluftsystem mit Positivdruck (Drucklufttank) und Negativdruck (Vakuumpumpe), digitalem PSI-Regler und zwei Schrittmotoren zur Extrusionssteuerung.

Der Endeffektor wog 4 kg inklusive befüllter Spritzen und Ablagematerial. Typische Durchflussraten lagen zwischen 8–4.000 mm³/s bei Düseninnendurchmessern von 0,5–8 mm. Lineargeschwindigkeit variierte zwischen 10–50 mm/s. Ablagebereich betrug 1.000 mm Länge × 500 mm Breite; Längenbegrenzungen wurden später durch ein verschiebbares Druckbett aufgehoben.

Schrittmotoren, Pneumatiksystem und Roboterarm wurden digital gesteuert, um Vorschub/Geschwindigkeitsverhältnisse zu koordinieren, variable Mischverhältnisse und Extrusionsraten zu ermöglichen sowie Ablagedruck und -geschwindigkeit in Echtzeit basierend auf gewünschten Extrusionsgeometrien und Materialeigenschaften anzupassen. Roboterbewegung und Extrusion waren nicht explizit gekoppelt – beide Funktionen waren unabhängig –, was unabhängige Steuerung jedes motorgesteuerten Spritzenzylinders sowie die Verschiebung des Roboterarm-Endeffektors erlaubte. Das System produzierte erfolgreich großformatige 3D-Formen ohne Formen und erreichte eine breite Palette geometrischer Formen mit variierenden strukturellen Eigenschaften.

Vom digitalen Design zur Ablage

Erste Fertigungsversuche basierten auf biologischen Strukturen wie Blättern und Libellenflügeln. Eine primäre Längsstruktur gab die globale Form vor, gefertigt mit dickeren Düsendurchmessern und höheren Materialkonzentrationen für Steifigkeit. Sekundärstrukturen entstanden durch abgelagerte Netze dünnerer Durchmesser und niedrigerer Konzentrationen. Das Fertigungssystem nutzte mehrere Techniken: unterschiedliche Konzentrationslösungen entlang bestimmter Pfade, digitale Drucksteuerung während der Ablage zur Kontrolle von Materialbreite und -höhe sowie wiederholtes Schichten. Diese Strategien wurden in Positions-, Geschwindigkeits-, Druck- und Materialanweisungen codiert, die in Echtzeit an den KUKA-Roboter (Positionierung) und den Extrusions-Endeffektor (Ablage) gesendet wurden.

Zunächst wurden Strukturen in einem CAD-Programm modelliert und dann durch benutzerdefinierte Slicing-Software in Druckschichten umgewandelt. Das digitale Steuerungssystem testete und optimierte Ablagepfade. Geometrische Werkzeugpfade für Steuerung und Betrieb des Extrusionssystems wurden mit Rhino3D-Modellierungssoftware (Robert McNeel & Associates, USA) und ihrem Skript-Plugin Grasshopper entworfen.

Das System kodierte dann ein Array unabhängiger Parameter, die mit dem digitalen Design sowie grundlegenden mechanischen und chemischen Materialeigenschaften verknüpft waren. Es berücksichtigte auch plattformabhängige Restriktionen des Fertigungssystems wie Viskositäten, Scherraten, Zylindertypen, Hardware-Reaktionszeiten und/oder Bauraumgröße. All diese Parameter wurden mit designspezifischen Variationen wie Düsenart, Materialzusammensetzung und zeitabhängigen Druckkarten kombiniert. Die resultierenden Berechnungen lieferten die nötigen Durchflussraten, Zylinder-Nachfüllmuster und Positioniergeschwindigkeiten. Schließlich wurden benutzerdefinierte Fertigungsanweisungen generiert, die Bewegungs- und Extrusionsbefehle an Positionier- und Ablagesysteme encodierten.

Erforschung neuartiger Strukturen

Mogas-Soldevila beschreibt Fertigungsversuche wie eine 50 cm lange, von Libellenflügeln inspirierte Struktur. Ihre strukturellen „Adern“ bestanden aus Chitosan-Gel, verdickt mit Natriumalginat-Pulver, worauf eine klare, zugfeste Membran aus 3 % Chitosan-Gel aufgelegt wurde. Dank der selbstreparierenden Eigenschaften der Materialien verband sich die Membran während der Ablage mit den Adern. Dieses Konzept wurde in verschiedenen blattartigen Strukturen bis 3 Meter Länge weiter erforscht. In einem anderen Beispiel wurde ein 5 × 15 mm Gitter flach mit einer Lösung aus Cellulose-Mikrofasern in 2 % Chitosan-Gel abgelagert. Beim Trocknete formte es sich zu einem 50 cm langen Zylinder, indem die Fähigkeit genutzt wurde, interne Verdunstungsspannungen zu designen, wie oben diskutiert.

Diese Technologie wurde von Jorge Duro-Royo, Architekt und Ingenieur, Leitforscher der MIT Mediated Matter Group unter Prof. Neri Oxman, entwickelt und in den Aguahoja-Projekten weitergeführt, bei denen hautartige Strukturen („hojas“) mit wasserbasierten Lösungen („agua“) geformt wurden. Aguahoja I umfasste einen 5 Meter hohen Architekturpavillon (Abb. 2) und eine Bibliothek von Materialexperimenten, die 2018 ausgestellt und vom San Francisco Museum of Modern Art (SFMOMA, Kalifornien, USA) für die permanente Sammlung erworben wurden. Aguahoja II war Teil einer 2019er Ausstellung, gemeinsam organisiert vom Cube Design Museum (Kerkrade, Niederlande) und dem Cooper Hewitt, Smithsonian Design Museum (New York, USA).

Die robotergestützte Fertigungsplattform in den Aguahoja-Projekten entwickelte sich weiter zu sowohl roboter- als auch portalbasierten Systemen. Der Pavillon bestand aus 95 einzelnen 3D-gedruckten Segmenten. Der weiße Rücken wurde mit einem handelsüblichen F900 Fused Deposition Modeling (FDM) System und Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA) Thermoplast gedruckt. Die multiple Biocomposite-Paneele waren mit variierenden Steifigkeits-, Flexibilitäts- und Opazitätsgraden gestaltet, um Bereiche zu schaffen, die als Struktur, Fenster und Umweltfilter dienen. Einige Materialien in Aguahoja I verändern sich in Reaktion auf Luftfeuchtigkeit und Wärme, andere dunkeln oder hellen sich mit den Jahreszeiten auf. Die Materialien reichen von spröde und transparent bis flexibel und lederartig, aber alle können so programmiert werden, dass sie in Wasser (z. B. Regen) abbauen und die Bausteine dem natürlichen Ökosystem zurückführen.

Mogas-Soldevila promovierte anschließend am The Silklab innerhalb der Tufts Biomedical Engineering (Medford, Massachusetts, USA) zur Nutzung von Seide und anderen Naturfasern und Materialien, einschließlich jener, an denen sie am MIT arbeitete. Sie ist nun Assistant Professor of Architecture an der University of Pennsylvania Stuart Weitzman School of Design, wo sie lehrt und zu materialgetriebenem Design an der Schnittstelle von Nachhaltigkeit und modernsten Lebenswissenschaften forscht. Einige ihrer aktuellen Arbeiten finden sich unter dumolab.com. „Das sind Materialien, die aus der Natur stammen und sehr leicht funktionalisierbar sind – wir können sie mischen, dotieren und transformieren. Wir können sie tatsächlich auf spezifische Fertigungsfähigkeiten abstimmen. Wir schauen, was morgen kommt.“