3D-Drucken mit 3D-Licht: 100 Mal schneller

14. Januar 2019, 17:36 Uhr
Neuartiger, extrem schneller 3D-Druck. Bild: University of Michigan.
Neuartiger, extrem schneller 3D-Druck. Bild: University of Michigan.
3D-Druck per Extruder = Kunststofffilamente Schicht für Schicht auftragen. Ein neuer 3D-Druck-Ansatz der University of Michigan, welcher flüssiges Harz räumlich aushärtet, ist bis zu 100 Mal schneller als herkömmliche 3D-Druckverfahren.

Im Prinzip könnte der 3D-Druck die Lücke zwischen der Herstellung von Prototypen und der Massenproduktion bei kleinen und mittleren Serien bis zu 10.000 Stück schließen und dabei die teure Herstellung von Formen überflüssig machen. Leider aber ist die verbreitete Form des preiswerten 3D-Drucks per gesteuertem Extruder, der 3D-Objekte langwierig quasi durch viele 1D-Objekte = Linien aufbaut, ziemlich langsam. Auch der 3D-Durck auf Harzbasis mit Aushärtung durch Licht ist nicht wirklich flott. Will man nicht hunderte konventionelle 3D-Drucker für eine kleine Fertigung aufbauen (und diese auch warten, was recht teurer ist), sind selbst Kleinserien per 3D-Druck nicht wirklich ökonomisch oder praktikabel.

3D-Druck mit Harz

Das neue in der Abteilung für Ingenieurwissenschaften an der University of Michigan entwickelte Verfahren begegnet diesem Problem, denn es ist sehr viel schneller. Gegenüber konventionellem 3D-Druck mit Harzen und Licht, das 3D-Objekte quasi zweidimensional mit Schichtbildern aufbaut, kommt beim neuen Verfahren eine Dimension hinzu. Es kann also 3D-Objekte dreidimensional, direkt auf einmal herstellen.
Das neue Verfahren verfestigt das flüssige Harz mit Hilfe zweier Lichtquellen und kann daher präzise steuern, an welchem Raumpunkt das Harz aushärtet und wo es flüssig bleibt. Eine Lichtquelle besorgt die Verfestigung des Harzes und die andere stoppt diesen Prozess. Da hier dreidimensionale Blöcke auf einmal belichtet werden können, ist diese Technik nicht nur extrem schnell, sondern auch der erste „echte“ 3D-Druck überhaupt.
  
Das 3D-Objekt in Form des „M“ im Video wird gedruckt, während es kontinuierlich aus dem Harzbad gezogen wird. Video: Evan Dougherty, College of Engineering der University of Michigan.

Durch die Schaffung eines relativ großen Bereichs, in dem keine Verfestigung auftritt, können auch viskosere Harze, potenziell mit verstärkenden Pulveradditiven, zur Herstellung stabilerer Objekte verwendet werden. Das Verfahren übertrifft auch die strukturelle Integrität des Filament-3D-Drucks deutlich, da dessen Objekte Schwachstellen an den Schnittstellen zwischen den Schichten aufweisen.

Bisher

Eine frühere Lösung für das Problem der ungewollten Verfestigung war ein sauerstoffdurchlässiges Fenster. Der Sauerstoff dringt dabei in das Harz ein und stoppt die Verfestigung in der Nähe des Fensters, so dass dort ein Flüssigkeitsfilm entsteht, der es ermöglicht, die frisch gedruckte Oberfläche wegzuziehen.

Da dieser Film aber nur etwa so dick wie Tesa ist, muss das Harz sehr flüssig sein, um schnell genug in den winzigen Spalt zwischen dem neuen, erstarrten Objekt und der Oberfläche zu fließen, wenn das Objekt weggezogen wird. Dies beschränkt diese Art des 3D-Drucks auf Harzbasis auf kleine, kundenspezifische Produkteserien oder Einzelanfertigungen, wie z. B. Schuheinlagen etc.

Neue Technik

Weil statt Sauerstoff durch eine zweite Lichtquelle zum Stoppen der Verfestigung genutzt wird, konnten die Forscher sehr viel größere Lücken und somit millimeterstarke Schichten erreichen, in die das Harz einige Größenordnungen schneller fließen kann. Das Ganze funktioniert natürlich nur mit speziellen Harzen, denn in herkömmlichen Systemen gibt es nur eine Reaktion. Ein Photoaktivator härtet das Harz überall dort aus, wo Licht ist. Das in Michigan verwendete Harz hat hingegen auch einen Photoinhibitor, der auf eine andere Lichtwellenlänge reagiert.
Anstatt nun wie bei konventionellen Verfahren die Erstarrung in einer 2D-Ebene zu steuern, erlaubt die Lösung aus Michigan mit zwei Lichtfarben das Harz im Prinzip jeder beliebigen 3D-Position in der Nähe des Belichtungsfensters zu härten und somit dickere 3D-Schichten auf einmal zu drucken, was die Geschwindigkeit enorm erhöht.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances unter dem Titel „Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning“ veröffentlicht.

Quelle: 3D printing 100 times faster with light
 
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