Blow Extrusion (BX) is een geavanceerde techniek voor additieve productie waarmee lichtgewicht, holle strengen kunnen worden gefabriceerd door luchtstroom tijdens de extrusie te regelen. Deze methode combineert Fused Granular Fabrication (FGF) en Fused Filament Fabrication (FFF).
Technische realisatie:
- Hardware: Er wordt gebruikgemaakt van coaxiale nozzles om lucht in het centrum van het gesmolten materiaal te injecteren, aangestuurd door een massastroomregelaar.
- Procesketen: De workflow integreert parametrisch ontwerp (Rhinoceros en Grasshopper) met een UR10-robotarm voor nauwkeurige coördinatie van beweging en luchtdruk.
Resultaten en impact: Het onderzoek toont aan dat BX het materiaalverbruik aanzienlijk verlaagt, tot wel 85% bij een 1,5-voudige expansie. Door de kortere printtijd en verbeterde schaalbaarheid is deze techniek zeer potentieel voor architectonische toepassingen binnen de AEC-sector (Architecture, Engineering, Construction), met een sterke focus op duurzaamheid.
Blow Extrusion (BX) 3D-printen
Multi-materiaal holle strengen via Blow Extrusion (BX)
Blow Extrusion (BX) is een geavanceerde techniek voor additieve productie (AM) waarmee robuuste, lichtgewicht en holle strengen in 3D kunnen worden gefabriceerd. In vergelijking met conventioneel extrusie-gebaseerd 3D-printen met massieve dwarsdoorsneden, vermindert deze techniek het materiaal- en resourceverbruik tot wel 85%.
BX maakt grootschalig 3D-printen met variabele dwarsdoorsneden mogelijk door de luchtstroom tijdens de extrusie te regelen om de streng op te blazen. Deze methode is ontwikkeld met behulp van Fused Granular Fabrication (FGF) en Fused Filament Fabrication (FFF), waarbij multi-materiaal 3D-printen, blow extrusion, robotica en computationeel ontwerp zijn gecombineerd.
Mechanisch ontwerp en technische uitdagingen
Bij het mechanische ontwerp van de printkoppen lagen de uitdagingen bij drie hoofdpunten:
- Materiaaldoorvoer: Om de bottleneck van filament als grondstof bij FFFBX te overwinnen, worden vier extruders met een hoge duwkracht en een voldoende lang smeltkanaal gebruikt om een hoge volumestroom mogelijk te maken. De vier verschillende filamentbronnen maken daarnaast multi-materiaal printen mogelijk.
- Ontwerp van de spuitmond (nozzle): Ongeacht de grondstof vereisen de nozzles een ontwerp waarbij lucht door het centrum van het gesmolten materiaal kan worden ingebracht. Dit wordt gerealiseerd door middel van coaxiale nozzles.
- Preciese regeling van de lucht voor inflatie: De gewenste buitendiameter wordt bepaald door de verhouding tussen de extrusiesnelheid, de snelheid van de printkop en de diameter van de nozzle, wat resulteert in de benodigde volumestroom van lucht. Een massastroomregelaar is via een digitale interface gesynchroniseerd met de extruders.
Technische specificaties en demonstratoren
- FFFBX-inrichting: De montage maakt het printen van meerdere materialen mogelijk via vier verschillende filamenttoevoeren. Lucht wordt in het midden van het gesmolten materiaal geïnjecteerd om de extrusiediameter te sturen. In de FFFBX-demonstrator varieert de extrusiediameter tussen 8 en 14 mm (gebruikt materiaal: geëxtrudeerd PETG in cyaan, magenta, geel en zwart; metingen uitgevoerd met Keyence VR-5200, n=5, λc = 25 mm).
- FGFBX-inrichting: Ook hier varieert de extrusiediameter tussen 8 en 14 mm, afhankelijk van de verandering in luchtdruk (gebruikt materiaal: transparant geëxtrudeerd PETG; metingen uitgevoerd met Keyence VR-5200, n=5, λc = 25 mm).
De digitale procesketen
De digitale procesketen integreert geometrische slicing, robot-simulatie en gesynchroniseerde bediening tussen een UR10-robotarm en aangepaste extruders. Door gebruik te maken van Rhinoceros en Grasshopper voor parametrisch ontwerp, en een open API voor real-time coördinatie, is naadloze controle over de extrusie, luchtdruk en robotbewegingen mogelijk.
Resultaten en toepassingen
De ontwikkeling van prototypes toonde aanzienlijke materiaalbesparingen aan:
- 65% besparing zonder expansie.
- Tot 85% besparing bij een 1,5-voudige expansie van de streng door blow extrusion.
In eerste tests zijn maximale afmetingen, variabele dwarsdoorsneden van holle strengen, multi-materiaal printen en ongestuurd ruimtelijk 3D-printen onderzocht. Demonstratoren zoals kolommen, platen en muren tonen het automatiseringspotentieel en de schaalbaarheid voor architectonische toepassingen.
BX verkort de printtijd, verbetert de schaalbaarheid voor architecturale elementen en maakt innovatieve ontwerpen mogelijk door de integratie van materiaalleegtes en de programmeerbaarheid van de gewichtsverdeling in 3D-geprinte structuren. Hiermee levert BX een belangrijke bijdrage aan additieve productie binnen de architectuur, engineering en bouw (AEC), met een sterke focus op duurzaamheid en functionaliteit.
Erkenningen
Dit werk is het resultaat van interdisciplinair onderzoek aan de TU Darmstadt tussen de faculteiten Werktuigbouwkunde en Architectuur. Het project is gefinancierd door het "Forum für interdisziplinäre Forschung" (FiF) van de TU Darmstadt onder de projectnaam "Luft nach oben".
Team:
- Digital Design Unit (DDU), Faculteit Architectuur, TU Darmstadt: Samim Mehdizadeh, Oliver Tessmann, Nastassia Sysoyeva.
- Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren (IDD), Faculteit Werktuigbouwkunde, TU Darmstadt: Philipp Wüst, Dieter Spiehl, Andreas Blaeser.
- Student-assistenten (IDD) voor de productie van de demonstratoren: Moritz Birkner en Philip Gransow.
Financiering: FiF Forum für interdisziplinäre Forschung, TU Darmstadt.
Blow Extrusion (BX) 3D-printen
Multi-materiaal holle strengen via Blow Extrusion (BX)
Blow Extrusion (BX) is een geavanceerde techniek voor additieve productie (AM) waarmee robuuste, lichtgewicht en holle strengen in 3D kunnen worden gefabriceerd. In vergelijking met conventioneel extrusie-gebaseerd 3D-printen met massieve dwarsdoorsneden, vermindert deze techniek het materiaal- en resourceverbruik tot wel 85%.
BX maakt grootschalig 3D-printen met variabele dwarsdoorsneden mogelijk door de luchtstroom tijdens de extrusie te regelen om de streng op te blazen. Deze methode is ontwikkeld met behulp van Fused Granular Fabrication (FGF) en Fused Filament Fabrication (FFF), waarbij multi-materiaal 3D-printen, blow extrusion, robotica en computationeel ontwerp zijn gecombineerd.
Mechanisch ontwerp en technische uitdagingen
Bij het mechanische ontwerp van de printkoppen lagen de uitdagingen bij drie hoofdpunten:
- Materiaaldoorvoer: Om de bottleneck van filament als grondstof bij FFFBX te overwinnen, worden vier extruders met een hoge duwkracht en een voldoende lang smeltkanaal gebruikt om een hoge volumestroom mogelijk te maken. De vier verschillende filamentbronnen maken daarnaast multi-materiaal printen mogelijk.
- Ontwerp van de spuitmond (nozzle): Ongeacht de grondstof vereisen de nozzles een ontwerp waarbij lucht door het centrum van het gesmolten materiaal kan worden ingebracht. Dit wordt gerealiseerd door middel van coaxiale nozzles.
- Preciese regeling van de lucht voor inflatie: De gewenste buitendiameter wordt bepaald door de verhouding tussen de extrusiesnelheid, de snelheid van de printkop en de diameter van de nozzle, wat resulteert in de benodigde volumestroom van lucht. Een massastroomregelaar is via een digitale interface gesynchroniseerd met de extruders.
Technische specificaties en demonstratoren
- FFFBX-inrichting: De montage maakt het printen van meerdere materialen mogelijk via vier verschillende filamenttoevoeren. Lucht wordt in het midden van het gesmolten materiaal geïnjecteerd om de extrusiediameter te sturen. In de FFFBX-demonstrator varieert de extrusiediameter tussen 8 en 14 mm (gebruikt materiaal: geëxtrudeerd PETG in cyaan, magenta, geel en zwart; metingen uitgevoerd met Keyence VR-5200, n=5, λc = 25 mm).
- FGFBX-inrichting: Ook hier varieert de extrusiediameter tussen 8 en 14 mm, afhankelijk van de verandering in luchtdruk (gebruikt materiaal: transparant geëxtrudeerd PETG; metingen uitgevoerd met Keyence VR-5200, n=5, λc = 25 mm).
De digitale procesketen
De digitale procesketen integreert geometrische slicing, robot-simulatie en gesynchroniseerde bediening tussen een UR10-robotarm en aangepaste extruders. Door gebruik te maken van Rhinoceros en Grasshopper voor parametrisch ontwerp, en een open API voor real-time coördinatie, is naadloze controle over de extrusie, luchtdruk en robotbewegingen mogelijk.
Resultaten en toepassingen
De ontwikkeling van prototypes toonde aanzienlijke materiaalbesparingen aan:
- 65% besparing zonder expansie.
- Tot 85% besparing bij een 1,5-voudige expansie van de streng door blow extrusion.
In eerste tests zijn maximale afmetingen, variabele dwarsdoorsneden van holle strengen, multi-materiaal printen en ongestuurd ruimtelijk 3D-printen onderzocht. Demonstratoren zoals kolommen, platen en muren tonen het automatiseringspotentieel en de schaalbaarheid voor architectonische toepassingen.
BX verkort de printtijd, verbetert de schaalbaarheid voor architecturale elementen en maakt innovatieve ontwerpen mogelijk door de integratie van materiaalleegtes en de programmeerbaarheid van de gewichtsverdeling in 3D-geprinte structuren. Hiermee levert BX een belangrijke bijdrage aan additieve productie binnen de architectuur, engineering en bouw (AEC), met een sterke focus op duurzaamheid en functionaliteit.
Erkenningen
Dit werk is het resultaat van interdisciplinair onderzoek aan de TU Darmstadt tussen de faculteiten Werktuigbouwkunde en Architectuur. Het project is gefinancierd door het "Forum für interdisziplinäre Forschung" (FiF) van de TU Darmstadt onder de projectnaam "Luft nach oben".
Team:
- Digital Design Unit (DDU), Faculteit Architectuur, TU Darmstadt: Samim Mehdizadeh, Oliver Tessmann, Nastassia Sysoyeva.
- Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren (IDD), Faculteit Werktuigbouwkunde, TU Darmstadt: Philipp Wüst, Dieter Spiehl, Andreas Blaeser.
- Student-assistenten (IDD) voor de productie van de demonstratoren: Moritz Birkner en Philip Gransow.
Financiering: FiF Forum für interdisziplinäre Forschung, TU Darmstadt.
Groetjes,