Kräfte bündeln: schnell

May 03, 2023

Objekte aus Kunststoff präzise, ​​schnell und kostengünstig zu drucken, ist das Ziel vieler 3D-Druckverfahren. Geschwindigkeit und hohe Auflösung bleiben jedoch eine technologische Herausforderung. Ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Heidelberg und der Queensland University of Technology (QUT) ist diesem Ziel ein gutes Stück näher gekommen. Es wurde ein Laserdruckverfahren entwickelt, mit dem mikrometergroße Teile im Handumdrehen gedruckt werden können. Das internationale Team veröffentlichte die Arbeit in Nature Photonics.

Beim Lichtblatt-3D-Druck werden rotes und blaues Laserlicht verwendet, um Objekte im Mikrometermaßstab präzise und schnell zu drucken

Vincent Hahn, KIT

Der stereolithografische 3D-Druck ist derzeit eines der beliebtesten additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe, sowohl für private als auch für industrielle Anwendungen. Bei der Stereolithographie werden die Schichten eines 3D-Objekts einzeln in einen mit Harz gefüllten Behälter projiziert. Das Harz wird durch UV-Licht ausgehärtet. Allerdings sind bisherige Stereolithographieverfahren langsam und haben eine zu geringe Auflösung. Eine schnelle und hochauflösende Alternative ist der Lichtblatt-3D-Druck, den die KIT-Forscher nutzen.

Beim Light-Sheet-3D-Druck wird blaues Licht in einen mit flüssigem Harz gefüllten Behälter projiziert. Das blaue Licht aktiviert das Harz vor. In einem zweiten Schritt sorgt ein roter Laserstrahl für die zusätzliche Energie, die zum Aushärten des Harzes erforderlich ist. Allerdings können mit dem 3D-Druck nur Harze schnell gedruckt werden, die schnell von ihrem voraktivierten Zustand in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Erst dann kann die nächste Schicht gedruckt werden. Folglich bestimmt die Rückkehrzeit die Wartezeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten und damit die Druckgeschwindigkeit. „Bei dem von uns verwendeten Harz betrug die Rücklaufzeit weniger als 100 Mikrosekunden, was hohe Druckgeschwindigkeiten ermöglicht“, sagt Erstautor Vincent Hahn vom Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT.

Um die Vorteile dieses neuen Harzes zu nutzen, bauten die Forscher einen speziellen 3D-Drucker. In diesem Drucker werden blaue Laserdioden verwendet, um Bilder über ein hochauflösendes Display mit hoher Bildrate in das flüssige Harz zu projizieren. Der rote Laser wird zu einem dünnen „Lichtblatt“-Strahl geformt und kreuzt den blauen Strahl vertikal im Harz. Mit dieser Anordnung war es dem Team möglich, mikrometergroße Teile in wenigen hundert Millisekunden, also im Handumdrehen, in 3D zu drucken. Dabei soll es aber nicht bleiben: „Mit empfindlicheren Harzen könnten wir in unserem 3D-Drucker sogar LEDs statt Laser verwenden“, sagt Professor Martin Wegener vom APH. „Letztendlich wollen wir zentimetergroße 3D-Strukturen drucken und dabei eine Auflösung im Mikrometerbereich und hohe Druckgeschwindigkeiten beibehalten.“

V. Hahn, P. Rietz, F. Hermann, P. Müller, C. Barner-Kowollik, T. Schlöder, W. Wenzel, E. Blasco und M. Wegener: Dreidimensionaler Lichtblatt-Mikrodruck mittels Zweifarbe zweistufige Absorption. Naturphotonik, 2022.

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V. Hahn, P. Rietz, F. Hermann, P. Müller, C. Barner-Kowollik, T. Schlöder, W. Wenzel, E. Blasco und M. Wegener: Dreidimensionaler Lichtblatt-Mikrodruck mittels Zweifarbe zweistufige Absorption. Naturphotonik, 2022.

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