Andreas Osterwalder in seinem Büro beim Betrachten des 3D-gedruckten Strahlteilers, im Hintergrund die CAD-Konstruktion einer Elektrodenstruktur für die Molekülsteuerung. Foto: Alain Herzog

3D-drucken und beschichten

Additive Fertigung

Eine geschickte Kombination von Additiver Fertigung und galvanischer Beschichtung spart bei komplexen Experimenten Zeit und Kosten.

Andreas Osterwalder nennt sein Büro gerne ein Museum: Doch was wie eine Sammlung von kleinen Maschinen aussieht, sind teilweise metallbeschichtete – genauer: galvanisierte – 3D-Drucke aus Kunststoff, die der Forscher für seine Experimente an der Schweizer Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) nutzt. Ein Versuchsaufbau wie Osterwalders Strahlteiler fungiert als eine hochkomplexe Maschine. Zwischen der Forschungsidee und dem eigentlichen Experiment können Monate oder sogar Jahre liegen. Einen Engpass stellt oft die eigentliche Fertigung von spezifischen maßgefertigten Komponenten dar.

Gemeinsam mit einem Beschichtungs­unternehmen, das sich auf die Galvanisierung von Rapid-Prototyping-Teilen spezialisiert hat, ist es Osterwalder gelungen, 3D-Drucktechnologie und Galvanikmethode so zu kombinieren, dass er seine komplexen Experimente mit großen Zeit- und Kostenersparnissen realisieren kann. Osterwalders Forschung ist Teil eines relativ neuen Feldes, der sogenannten kalten Chemie. Bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen kann man eine starke Bewegung von Molekülen oder Atomen beobachten. Treffen diese aufeinander, finden chemische Reaktionen statt. Doch auch bei weitaus niedrigeren Temperaturen lassen sich Reaktionen beobachten – selbst bei fast nicht vorhandener Bewegung.

Segmente mit Längen von 15 cm, 10 cm und 10 cm wurden einzeln additiv aus klarem Kunstharz gefertigt und anschließend mit Nickel beschichtet.

Das Ziel in Osterwalders Forschung ist es, Chemie am absoluten Temperaturtiefpunkt, –273,15 °C, zu untersuchen, um einige der grundlegendsten Aspekte von intermolekularen Interaktionen zu verstehen. Damit man die Moleküle bei solch niedrigen Temperaturen untersuchen und kontrollieren kann, ist es essenziell, ihre Bewegung genau zu steuern. „Man kann sich die Molekülstrahlen wie einen Wasserstrahl vorstellen, nur als Gasphasenmoleküle im Vakuum. Unter diesen Bedingungen können wir beginnen, diesen Strahl in seiner Bewegung zu kontrollieren“, so Osterwalder, der für dieses Experiment einen makroskopischen Strahlteiler herstellte.

3D-gedruckter Versuchsaufbau

Ein Forscher kann eine komplexe, technische Zeichnung in kürzester Zeit anfertigen. Die Herstellung des Versuchsaufbaus hängt allerdings von Feintechnikern ab und dauert mit traditionellen Fertigungsmethoden wie CNC-Fräsen oder Zerspanung in der Regel mehrere Monate. Osterwalder wollte deshalb eine schnellere, kosteneffizientere Methode finden, um von der Idee zum Experiment zu kommen.

„Stereolithografie bietet die Auflösung, die ich brauche.“
Andreas Osterwalder, Forscher an der Schweizer Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne

So begann er sich 2009 für die Additive Fertigung – den 3D-Druck – zu interessieren. Allerdings waren die damals erhältlichen Geräte für Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithografie (SLA) und Metal Sintering entweder nicht präzise genug oder zu teuer für seine Zwecke.
Von dem SLA 3D-Drucker Form 2, den Osterwalder 2015 kaufte, sobald er auf den Markt gekommen war, war er schließlich überzeugt: „Stereolithografie bietet die Auflösung, die ich brauche“, sagt Osterwalder. „So kann ich mich darauf fokussieren, komplexe Strukturen zu entwerfen, und weiß, dass sie genau so aus dem Drucker kommen.“

Strahlteiler in Tagen statt in Monaten
Für seinen Strahlteiler nutzte Osterwalder den Stereo­lithografie (SLA) 3D-Drucker Form 2 und seine maximale vertikale Bauhöhe von 17,5 cm. Die Elektroden­struktur wurde in klarem Kunstharz additiv gefertigt und danach mit Nickel beschichtet. Foto: Formlabs
Für seinen Strahlteiler nutzte Osterwalder den Stereo­lithografie (SLA) 3D-Drucker Form 2 und seine maximale vertikale Bauhöhe von 17,5 cm. Die Elektroden­struktur wurde in klarem Kunstharz additiv gefertigt und danach mit Nickel beschichtet. Foto: Formlabs

Osterwalders 3D-gedruckter und galvanisierter Strahlteiler erlaubt ihm, einen Strom von Gasphasenmolekülen in zwei Ströme zu spalten, ohne die Moleküle zu berühren. Die Metallstruktur wird verwendet, um starke elektrische Felder zu erzeugen, in denen Spannungen in der Größenordnung von 10.000 V angelegt werden. Diese Felder erzeugen dann eine Kraft, die auf die Moleküle wirkt. Für Licht sind Strahlteiler einfach zu konstruieren – zum Beispiel als teilweise reflektierendes Fenster. Einen Strahlteiler für Moleküle zu bauen ist aber wesentlich aufwendiger.

Mit der Kombination von 3D-Druck und Metallbeschichtung durch Galvanisierung konnte Osterwalder die Produktionszeit seines Versuchsaufbaus von mehreren Monaten auf unter eine Woche reduzieren. Osterwalder brauchte ein paar Tage, um den Strahlteiler zu entwerfen, und nur 36 Stunden für die Additive Fertigung in seinem eigenen Labor. Die anschließende Beschichtung der Struktur mit Nickel dauerte nur noch einen Tag. Am Ende dauerte das Versenden der 3D-gedruckten Teile zum Galvanikunternehmen und zurück länger als alles andere.

Galvanisieren von 3D-Druckteilen
3D-gedruckte Teile in Gold, beschichtet von der Schweizer Firma Galvotec, einer von wenigen auf der Welt, die auf Metallbeschichtung für Rapid Prototyping spezialisiert sind. Foto: Formlabs/Galvotec
3D-gedruckte Teile in Gold, beschichtet von der Schweizer Firma Galvotec, einer von wenigen auf der Welt, die auf Metallbeschichtung für Rapid Prototyping spezialisiert sind. Foto: Formlabs/Galvotec

Verchromte Wasserhähne oder Zierleisten bei Autos – mit Metall beschichtete galvanische Teile finden sich praktisch überall: Sie werden mit Chrom, Silber oder einem anderen hochwertigen Metall durch Elektrolyse beschichtet, um das Aussehen und die Materialeigenschaften wie Verschleißfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Bei Kunststoffen funktioniert allerdings Galvanotechnik nicht so ohne Weiteres, da Kunststoffe in der Regel nicht leitfähig sind; dies ist aber für den Galvanisierungsprozess unerlässlich. Eine chemische Vorbehandlung kann dieses Problem lösen, aber bis in die frühen 2000er-Jahre zeigte dieser Prozess nur mit wenigen Kunststoffen wie ABS Erfolg.

Osterwalder wandte sich an die Schweizer Firma Galvotec. „Die Herausforderung, auch andere Materialien galvanisch beschichten zu können, hat mich schon immer interessiert und dementsprechend motiviert“, sagte Rico Schuhmacher, Gründer von Galvotec. „Deshalb hatte ich im Jahr 2009 bereits eifrig geforscht und experimentiert, um auch andere Materialien als nur ABS beschichten zu können. Im Jahr 2011 war ich dann erfolgreich und habe 2012 Galvotec gegründet.“

Bis heute gibt es weltweit nur wenige Galvanikunternehmen, die sich auf Rapid Prototyping spezialisiert haben, und Galvotec ist das einzige in der Schweiz. „Herr Osterwalders Teile mussten teilweise beschichtet werden: Das bedeutet, dass einige Bereiche galvanisiert werden müssen und andere nicht. Durch das Erstellen von Masken haben wir dieses Ergebnis erreicht“, erinnert sich Schuhmacher. „Eine weitere Herausforderung war, den elektrischen Kontakt zwischen zwei Flächen zu verhindern, also mussten wir die Beschichtung für sie separat machen.“

0,025 Millimeter beträgt die Auflösung, mit der Andreas Osterwalder den 35 cm langen Strahlteiler 3D-gedruckt hat.

Nach Überzeugung von Schuhmacher lässt sich das Anwendungsgebiet additiv gefertigter Kunststoffteile durch Metallbeschichtung enorm ausweiten. Die dadurch möglichen neuen Materialeigenschaften reichen von elektrischer Leit­fähigkeit, elektromagnetischer Verträglichkeit, Verschleißbeständigkeit, besserer Formbeständigkeit, Magnetismus, Temperaturbeständigkeit bis hin zu einer ganzen Palette an dekorativen Beschichtungen – bis hin zu Gold.

Schnell – flexibel – replizierbar

Das Galvanisieren von 3D-gedruckten Teilen ist immer noch eine Neuheit. Während es offensichtliche Vorteile für Ingenieure birgt, sieht Osterwalder auch ein großes Potenzial für wissenschaftliche Anwendungen. „Unsere Experimente sind richtige Maschinen, mit vielen Rohren und Pumpen, und für traditionelle Methoden wie Zerspanung oder CNC-Fräsen sehr komplex zu fertigen. Viele dieser Komponenten können in einer viel kürzeren Zeit und mit größerer Flexibilität 3D-gedruckt werden.“ Nicht zuletzt deshalb ist der Wissenschaftler überzeugt, dass die Kombination von Additiver Fertigung und Metallbeschichtung durch Galvanisierung ausgedehnt werden kann, um sonst unmögliche Experimente zu konstruieren.

Osterwalders „Museum“ von 3D-gedruckten, teilweise galvanisierten Projekten. Rechts unten der Strahlteiler. Foto: Formlabs
Osterwalders „Museum“ von 3D-gedruckten, teilweise galvanisierten Projekten. Rechts unten der Strahlteiler. Foto: Formlabs

Mit Blick auf die Zukunft glaubt Osterwalder nicht, dass diese Vorteile nur auf seine spezifische Forschung beschränkt sind. Für ihn ist die Frage nicht, was man mit einem 3D-gedruckten und galvanisierten Strahlteiler machen soll, sondern, wie seine Methode für andere Experimente reproduziert werden kann.„Es ist, egal in welcher Forschung, wichtig, dass man ein Experiment reproduzieren kann, identisch in einem anderen Labor, um es zu wiederholen und zu verifizieren. Man kann sich vorstellen, dass man eine Art Legosystem entwickeln könnte, um mit 3D-gedruckten, galvanisierten Teilen Experimente aufzubauen“, so Osterwalder. Seine Vision ist es, Forschungsinstitute und Labore auf der ganzen Welt zu befähigen, Experimente durchzuführen und zu reproduzieren, indem sie einfach eine STL-Datei verschicken.

Anna Hantelmann, Formlabs

Aufmacherfoto: Alain Herzog