Wenn über 3D-Druck gesprochen wird, denken die meisten Menschen zunächst an starre Kunststoffbauteile, Gehäuse oder technische Komponenten. Tatsächlich eröffnet die additive Fertigung aber auch im Bereich flexibler Materialien und Textilien völlig neue Möglichkeiten. Gemeinsam mit einem Partner aus der Textilforschungsbranche beschäftigen wir uns aktuell mit der Frage, wie sich flexible Kunststoffe direkt auf verschiedenste Stoffe drucken lassen und welche neuen Anwendungen dadurch entstehen können.
Die Herausforderung: Haftung und Flexibilität zugleich
Die eigentliche Herausforderung besteht dabei nicht darin, ein Material auf einen Stoff aufzubringen. Entscheidend ist vielmehr, dass zwischen dem gedruckten Material und dem Textil eine dauerhafte Verbindung entsteht, während gleichzeitig die Flexibilität des Gesamtsystems erhalten bleibt. Wird die Verbindung zu schwach, löst sich das Material vom Stoff. Wird sie zu steif, verliert das Textil seine eigentlichen Eigenschaften und wird unangenehm oder unbrauchbar für den späteren Einsatz.
Getestete Textilien: von Baumwolle bis Kevlar
Im Rahmen verschiedener Untersuchungen haben wir daher unterschiedlichste Textilien bedruckt. Dazu gehörten klassische Baumwollstoffe, synthetische Gewebe, Filzmaterialien sowie hochfeste technische Textilien wie Kevlar. Dabei zeigte sich, dass sich mit den richtigen Prozessparametern und Materialien sehr gute Haftungen auf nahezu allen untersuchten Stoffen erzielen lassen.
Das Material: geschäumtes TPE mit Dämpfungseigenschaften
Für die Versuche setzen wir ein modifiziertes TPE ein, also ein thermoplastisches Elastomer, das zusätzlich mit Treibmitteln verarbeitet wird. Während des Druckprozesses entsteht dadurch eine geschäumte Struktur mit geringer Dichte und sehr guten Dämpfungseigenschaften. Gerade diese Kombination aus Flexibilität, geringem Gewicht und Energieabsorption macht das Material für zahlreiche Anwendungen interessant.
Anwendungen in der Schutzausrüstung
Besonders im Bereich von Schutzausrüstungen ergeben sich dadurch spannende Möglichkeiten. Denkbar sind beispielsweise individuell angepasste Polsterungen für Helme, Knie- und Ellenbogenschoner, Orthesen oder Prothesen. Durch die direkte Verbindung von Textil und Dämpfungselement entsteht ein leichtes und gleichzeitig funktionales Gesamtsystem, das sich exakt an die jeweilige Anwendung anpassen lässt.
Gedruckt auf dem MultiPrint-System
Gedruckt wurden die Bauteile auf unserem MultiPrint-System der S2S Systemdrucker GmbH. Der besondere Vorteil dieses Systems liegt in seinem Mehrkopfkonzept. Während ein Druckkopf große Materialmengen schnell auftragen kann, übernimmt ein zweiter Druckkopf die feineren Strukturen und Konturen. Dadurch lassen sich auch größere Bauteile wirtschaftlich herstellen, ohne auf eine hohe Detailqualität verzichten zu müssen. Das Ergebnis sind kurze Druckzeiten bei gleichzeitig hoher Präzision.
Erweiterung: ein Rotationsmodul als zusätzliche Achse
Aktuell arbeiten wir außerdem an einer Erweiterung des Systems. Hierbei handelt es sich um ein Rotationsmodul, das als zusätzliche Achse in den Druckprozess integriert werden soll. Anstelle einer ebenen Druckfläche kann dabei ein zylindrischer Grundkörper eingespannt werden. Dadurch wird es möglich, beispielsweise Arm- oder Knieschoner als Rohlinge aufzuspannen und anschließend direkt mit individuellen Dämpfungsstrukturen zu versehen.
Durch austauschbare Zylinderdurchmesser lässt sich das System flexibel an unterschiedliche Anwendungen anpassen. So können sowohl kleine als auch größere Bauteile bearbeitet werden, ohne dass umfangreiche Umrüstungen notwendig sind. Gleichzeitig eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten für die individuelle Anpassung von Schutzausrüstungen oder ergonomischen Komponenten.
Anwendungsfeld flexible Elektronik
Ein weiteres spannendes Anwendungsfeld sehen wir im Bereich flexibler Elektronik. Flexible Leiterplatten gewinnen in vielen Branchen zunehmend an Bedeutung, beispielsweise in tragbarer Elektronik, Sensorik oder Smart Textiles. Eine Herausforderung besteht dabei häufig darin, diese flexiblen Komponenten dauerhaft auf einem Textil oder einer Trägerstruktur zu befestigen, ohne ihre Beweglichkeit einzuschränken.
Hier bietet der 3D-Druck einen interessanten Lösungsansatz. Anstatt die Bauteile zu verkleben oder mechanisch zu befestigen, können gezielt Gitterstrukturen oder flexible Halteelemente direkt auf die Leiterplatte und den Stoff gedruckt werden. Dadurch bleiben die elektronischen Komponenten beweglich, werden aber gleichzeitig sicher fixiert. Die Flexibilität des Gesamtsystems bleibt erhalten und die Anzahl zusätzlicher Verbindungselemente wird reduziert.
Fazit: Additive Fertigung für flexible Systeme
Dieses Projekt zeigt sehr deutlich, wie vielseitig die additive Fertigung mittlerweile geworden ist. Während der klassische 3D-Druck häufig mit starren Kunststoffteilen verbunden wird, entstehen heute zunehmend Anwendungen im Bereich flexibler und dynamisch belasteter Systeme. Die Kombination aus Textilien, Elastomeren und additiver Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten für Schutzausrüstungen, medizinische Anwendungen, intelligente Textilien und viele weitere Bereiche. Gerade die Verbindung von Materialentwicklung, Maschinenbau und Anwendungsforschung macht diesen Bereich für uns besonders spannend und wird auch in Zukunft ein wichtiger Bestandteil unserer Entwicklungsarbeit sein.