Brücken bauen – mit 3D-Druck in der Luft
Unsere neue Veröffentlichung im Elsevier-Journal Additive Manufacturing ist online.
07.11.2025 von Alexander A. Altmann
Das Fachgebiet Mess- und Sensortechnik (MUST) der TU Darmstadt – gemeinsam mit weiteren Partnern – zeigt ein einfaches Verfahren, mit dem selbsttragende, einlagige Polypropylen-Spannen in der Luft gedruckt und Hohlräume sauber verschlossen werden. Zusätzlich stellen wir ein Vorhersagemodell vor, das die Oberflächenqualität bereits vor dem Druck abschätzt.
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![Schematic of the mid-air printed single-layer PP cap: 3D model with top and bottom surfaces and toolpath, extrusion spacing vs overlap, YZ cross-section of layers, and lateral profile showing overlap-controlled spacing and bonding.]()
Schematische Darstellung der einlagigen PP-Abdeckung: 3D-Modell mit Ober- und Unterseite sowie Bahnverlauf, Extrusionsabstand vs. Überlappung, YZ-Querschnitt und laterales Profil mit überlappungsabhängigem Abstand und Haftung. -
![Nozzle-induced smoothing of the mid-air top layer during deposition—the tip flattens adjacent lines and reduces peak roughness (scale bar: 500 µm).]()
Düsenglättung der oberen Lage beim Druck in der Luft: die Spitze glättet benachbarte Linien und reduziert Spitzenrauheit (Maßstab: 500 µm). -
![Top and bottom surfaces with cross section of a mid-air printed single-layer PP cap, showing a sealed cavity with enclosed air gap and ~200 µm layer thickness]()
Ober- und Unterseite mit Querschnitt einer in der Luft gedruckten einlagigen PP-Abdeckung; sauber verschlossene Kavität mit eingeschlossener Luft und Schichtdicke ~200 µm (Maßstäbe: 5 mm und 1 mm). -
![Overview of applications enabled by 3D-printed embedded cavity structures—spanning bioengineering, metamaterials, and sensor–actuator systems—from microfluidics and tissue scaffolds to antennas, energy harvesting, and acoustic/optical devices.]()
Schematische Darstellung der einlagigen PP-Abdeckung: 3D-Modell mit Ober- und Unterseite sowie Bahnverlauf, Extrusionsabstand vs. Überlappung, YZ-Querschnitt und laterales Profil mit überlappungsabhängigem Abstand und Haftung. -
![Model validation: predicted vs measured surface roughness and material distribution across flow rates, showing height partitioning (top/core/bottom) and A–F parameters (C̄, S̄, Rpk, Rk, Rvk) capturing intralayer bonding, surface material, and void volume trends.]()
Modellvalidierung: vorhergesagte gegenüber gemessener Oberflächenrauheit und Materialverteilung über verschiedene Durchflüsse; Höhenaufteilung (oben/Kern/unten) und Parameter A–F (C̄, S̄, Rpk, Rk, Rvk) erfassen Haftung, Oberflächenmaterial und Trends des Hohlraumvolumens.
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Brücken bauen – auf besondere Weise: 3D-Druck in der Luft, der Hohlräume sauber verschließt
Brücken sind wichtig, gerade jetzt. Unser Team zeigt, wie sich selbsttragende, einlagige Polypropylen-Spannen in der Luft auf einem Standarddrucker so herstellen lassen, dass Hohlräume sauber verschlossen werden. Außerdem stellen wir ein Vorhersagemodell vor, mit dem sich die Parameter für Oberflächenqualität und Intralagenhaftung bereits vor dem Druck gezielt auswählen lassen.
Was ist neu
- Vorhersagemodell: Verknüpft Durchflussrate, Düsengeometrie und Bahnüberlappung mit Geometrie, Materialverteilung und Rauheit der oberen Lage; nutzbar für Vorausberechnung und gezielte Parameterauswahl.
- Validierung am Standarddrucker: Prusa i3 MK3S+ mit Polypropylen; Durchfluss 20–100 Prozent; etwa 105 Prozent Überlappung für durchgehend geschlossene Oberflächen ohne Risse.
- Gezielte Oberflächenqualität: Niedriger Durchfluss glättet die Brückenoberfläche (bis Ra = 4,52 ± 0,49 µm bei 20 Prozent). Höherer Durchfluss erzeugt Welligkeit.
Warum das wichtig ist
Geschlossene Luftkavitäten sind Bausteine für Mikrofluidik, Sensorik und leichtbauende Metamaterialien. Der einlagige Druck in der Luft verringert die Steifigkeit und erreicht dennoch luftdichte Abschlüsse bei hoher Intralagenhaftung (bis etwa 70 Prozent) – für kompakte Kanäle und empfindliche Membranen ohne aufwendige Stützstrukturen.
So gelingt es in der Praxis
- Überlappung ~105 Prozent einstellen,
- Zickzack-Pfad mit konstantem Bahnabstand wählen,
- Durchfluss ≤ 60 Prozent, um Rauheitsspitzen durch Düsenglättung zu reduzieren,
- das Modell nutzen, um gewünschte Rauheit oder Haftung gezielt anzusteuern.
Artikeldetails
Der Beitrag trägt den Titel „Self-supporting mid-air 3D printing of single-layer polypropylene structures: Flow rate-dependent analytical modeling and surface characterization“ und erschien in Additive Manufacturing, Volume 113, 5. September 2025, 105010.
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Zitation
Altmann A. A., Suppelt S., Wüst P., Dörsam J. H., Latsch B., Flachs D., Blaeser A., Zhang X., Thielemann C., von Seggern H., Kupnik M. Additive Manufacturing, 113 (2025) 105010.
