Volumetric 3D Printing 20.12.2017, 13:01 Uhr

3D-Drucker stellt Objekt in Sekunden her

Der 3D-Druck breitet sich immer weiter aus, doch die Technik hat Grenzen. Grenzen, die in einem Hochsicherheitslabor in den USA nun womöglich gesprengt wurden. Wo es sonst um streng geheime Waffentests geht, entwickelten Forscher ein vielversprechendes Laser-Verfahren.

Durch die Verwendung von lasergenerierten, hologrammähnlichen 3D-Bildern, die in photosensitives Harz geblitzt wurden, haben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory entdeckt, dass sie komplexe 3D-Teile in einem Bruchteil der Zeit des traditionellen Schicht-für-Schicht-Druckens erstellen können. Mit diesem Verfahren haben Forscher innerhalb von Sekunden Balken, Ebenen, Streben in beliebigen Winkeln, Gitter und komplexe und einzigartig gekrümmte Objekte gedruckt.

Durch die Verwendung von lasergenerierten, hologrammähnlichen 3D-Bildern, die in photosensitives Harz geblitzt wurden, haben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory entdeckt, dass sie komplexe 3D-Teile in einem Bruchteil der Zeit des traditionellen Schicht-für-Schicht-Druckens erstellen können. Mit diesem Verfahren haben Forscher innerhalb von Sekunden Balken, Ebenen, Streben in beliebigen Winkeln, Gitter und komplexe und einzigartig gekrümmte Objekte gedruckt.

Foto: Lawrence Livermore National Laboratory

Schicht für Schicht entsteht ein Bauteil im 3D-Drucker. Langsam wird das fertige Produkt erkennbar, als hätte ein unsichtbarer Töpfer seine Finger daran. Sehr langsam, muss man sagen, denn die additive Fertigung – vereinfacht 3D-Druck – dauert je nach Bauteil Minuten oder gar Stunden. Und genau das ist eine der Hürden auf dem Weg zum Einsatz in der Massenproduktion.

Doch nun könnte diese Hürde genommen sein. So viel verspricht Maxim Shusteff, Leiter einer Forschungsgruppe am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien. Er hat mit Kollegen dreier anderer US-Forschungsinstitute das Verfahren entwickelt, das er „Volumetric 3D Printing“ nennt. Und dieses Verfahren könnte tatsächlich zum Durchbruch der Technik in der Serienproduktion führen. Denn was im herkömmlichen 3D-Verfahren Minuten oder gar Stunden dauern würde, schaffte die Gruppe um Shusteff jetzt in Sekunden.

Die dritte Dimension der Additiven Fertigung

Der Clou an der Geschichte klingt gar nicht so kompliziert. Das Geheimnis liegt in drei sich überlappenden Laserstrahlen, durch die ein Hologramm-artiges 3D-Bild erzeugt wird. Und dieses Bild wird in ein photosensitives Harz, eine Art Rohling, quasi hineingeschossen, um die gewünschte Struktur zu erzielen. Während alle überflüssigen Bestandteile des Rohlings quasi abfließen, bleibt die in Sekundenschnelle ausgehärtete Struktur übrig. So werden also alle Bestandteile der gewünschten Form gleichzeitig erzeugt und nicht nacheinander.
Während bisherige additive Fertigung nur mit einer oder höchstens zwei Dimensionen arbeitet, sind es hier also drei. Dadurch ist das relativ zeitraubende Schicht-um-Schicht-Verfahren unnötig, und zwar in den allermeisten, „wenn nicht sogar allen“ üblichen kommerziellen Anwendungen, sagt Shusteff.

Entwicklung könnte sogar billiger sein

Bisher konnten die US-Forscher relativ einfache Formen wie flache Ebenen und Stäbe, aber auch gebogene Strukturen mit ihrem Verfahren erzeugen. Shusteff und seine Kollegen erwarten, dass ihre Entwicklung sogar deutlicher kostengünstiger arbeiten kann als herkömmliche Geräte. Um sehr komplexe Strukturen herzustellen, bräuchte es allerdings noch weit mehr als drei überlappende Laserstrahlen. Ob das dann noch in der Massenproduktion funktioniert, ist offen.

Bis dahin ist der Weg allerdings ohnehin noch recht weit. Vorläufig müssen die Wissenschaftler noch sicherstellen, dass die Laserstrahlen jederzeit und an jedem Punkt die exakt richtige Intensität haben und nicht zu lange wirken. Nur ein bisschen zu lange, und die Struktur ist unbrauchbar. Ein großer Vorteil der Neuentwicklung allerdings könnte sein, dass gleich mehrere nicht miteinander verbundene Bauteile in einem Zug hergestellt werden können. So wäre es zum Beispiel möglich, ein Gelenk oder ein Kugellager zu erzeugen.

Ein Institut mit vielen Leuten und sehr viel Geld

Das Lawrence Livermore National Laboratory hat sicher die besten Möglichkeiten für die weitere Entwicklung, auch wenn die 3D-Abteilung in dem staatlichen Institut, das direkt der Regierung in Washington unterstellt ist, eher klein ausfällt. Rund 2.700 Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten in dem stark gesicherten Komplex, an dem in erster Linie an der Abwehr von Atomraketen gearbeitet wird. Das 1952 gegründete Labor ist ein Produkt des Kalten Krieges. Obwohl der lange vorbei ist, besteht kein Zweifel an der Bedeutung seiner Arbeit: Das Budget liegt bei 1,5 Milliarden Dollar jährlich.

Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen neuen Desktop-3D-Drucker entwickelt, der bis zu 10-mal schneller ist als herkömmliche 3D-Drucker. Mehr dazu erfahren Sie hier.

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