Nur ein Wimpernschlag 17.10.2022, 10:26 Uhr

Schneller 3D-Druck: Forschenden gelingt ein Durchbruch

Die Druckgeschwindigkeit beim 3D-Druck wird durch die Aushärtungszeit des Harzes definiert. Forschenden ist es nun gelungen, diese durch neue Harze und einen speziellen Drucker mit zwei Lasern drastisch zu verbessern. Und das auch noch bei einer besonders hohen Auflösung. Mit dem neuen 3D-Druckverfahren lassen sich künftig 3D-Objekte in einem Wimpernschlag drucken.

3d-lichtblattdruck

Beim 3D-Lichtblattdruck werden mit rotem und blauem Laserlicht präzise und schnell Objekte im Mikrometermaßstab gedruckt.

Foto: Vincent Hahn, KIT

Nach wie vor ist es eine technische Herausforderung, 3D-Drucke in hoher Auflösung und mit einer hohen Geschwindigkeit zu erstellen. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Heidelberg und der Queensland University of Technology (QUT) ist diesem Ziel nun ein großes Ziel nähergekommen. Sie haben ein Verfahren entwickelt, das mit Hilfe von zwei Lasern ein blitzschnelles 3D-Mikrodrucken ermöglicht. Mit dem Laserdruckverfahren lassen sich demnach innerhalb eines Wimpernschlags mikrometergroße Teile drucken.

3D-Druck im Stereolithografie-Verfahren

Die Technik hinter dem neuartigen 3D-Druckverfahren ist eine altbekannte. Die Stereolithografie ist das älteste und beliebteste additive Fertigungsverfahren für Kunststoffe, sowohl für private als auch für industrielle Anwendungen. Mit ihm wird ein Werkstück durch frei im Raum materialisierende Rasterpunkte schichtenweise aufgebaut.

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Ein lichtaushärtender Kunststoff wie zum Beispiel Acryl-, Epoxid- oder Vinylesterharz wird von einem Laser in dünnen Schichten mit UV-Licht ausgehärtet. Alle bisherigen Stereolithografie-Verfahren sind jedoch relativ langsam und haben eine zu geringe Auflösung. Das kann sich nun ändern, denn der von den Forschenden des KIT eingesetzte 3D-Lichtblattdruck (englisch Light-Sheet 3D Printing) ist eine schnelle und hochauflösende Alternative.

Zwei Laser, zwei Farben, zwei Stufen

Ein Bremsklotz beim 3D-Druck ist die Zeit, die es benötigt, bis das flüssige Harz aushärtet. Beim Light-Sheet 3D Druck ist das anders. Hier wird blaues Licht in einen mit flüssigem Harz gefüllten Behälter projiziert. Das Harz wird dadurch voraktiviert. In einer zweiten Stufe wird das Harz mit einem roten Laserlicht bestrahlt. Dieses liefert die zusätzliche Energie, die zum Aushärten des Harzes notwendig ist.

„Bei dem Harz, das wir verwendet haben, betrug die Rückkehrzeit weniger als 100 Mikrosekunden, was hohe Druckgeschwindigkeiten ermöglicht.“ Vincent Hahn vom Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT.

Damit ein schneller 3D-Druck möglich ist, braucht es spezielle Harze, die rasch aus dem voraktivierten Zustand in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Die Rückkehrzeit diktiert die Wartezeit zwischen zwei aufeinander folgenden Schichten und somit die Druckgeschwindigkeit.

3D-Objekte in nur einem Wimpernschlag

Durch das neue Harz und mithilfe eines von den Forschenden entwickelnden 3D-Druckers lassen sich mikrometergroße 3D-Teile innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde drucken. Neu ist bei diesen Druckern zum Beispiel, dass zwei anstatt nur einem Laser zum Einsatz kommen.

Mit Hilfe der blauen Laserdioden werden hochauflösende Bilder mit hoher Bildfrequenz in das flüssige Harz projiziert. Jetzt kommt der rote Laser ins Spiel. Dieser wird zu einem dünnen „Lichtblatt“-Strahl geformt und kreuzt den blauen Strahl senkrecht im Harz. Innerhalb weniger hundert Millisekunden härtet das Harz aus und das gewünschte Objekt ist gedruckt.

„Mit empfindlicheren Harzen könnten wir sogar LEDs statt Laser in unserem 3D-Drucker einsetzen. Letztlich wollen wir zentimetergroße 3D-Strukturen drucken und dabei die Auflösung im Mikrometerbereich und die hohe Druckgeschwindigkeit beibehalten.“ Professor Martin Wegener vom APH

Noch sind es lediglich sehr kleine Teile, die gedruckt werden können, doch dabei soll es nicht bleiben. Ziel ist es, zentimetergroße 3D-Strukturen zu drucken und dabei die hohe Auflösung und Geschwindigkeit beizubehalten. Mit noch empfindlicheren Harzen sollen sich die Laser zudem durch LEDs ersetzen lassen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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