Unglaublich schneller 3D-Druck – Forscher stellen laserbasiertes Hologramm-Verfahren vor

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Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA haben ein neuartiges 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem sich Objekte in einem Bruchteil der bisherigen Druckzeit produzieren lassen. Bei dem laserbasierten Prozess wird im Gegensatz zu vergleichbaren Schichtverfahren ein Hologramm in einem Behälter mit Kunstharz erzeugt. 

Das Verfahren, das von den Forschern „volumetrischer 3D-Druck“ genannt wird, wurden vom LLNL in Zusammenarbeit mit der UC Berkeley, der University of Rochester und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt. Die Studie mit dem Titel „One-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures“ kann im Fachjournal Science Advances nachgelesen werden.

„Die Tatsache, dass 3D-Objekte in einem Schritt hergestellt werden können, überwindet ein bedeutendes Problem in der Additiven Fertigung,“ erklärt Maxim Shusteff vom LLNL und Author der Studie. „Wir versuchen eine komplette 3D-Form gleichzeitig zu drucken. Das eigentliche Ziel der Studie war es der Frage auf den Grund zu gehen ‚Können wir beliebige 3D Formen in einem Schritt herstellen, anstatt die Teile Schicht für Schicht aufzubauen?‘. Es stellte sich heraus, dass wir das tatsächlich können.“

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Bei der neuen Methode werden drei Laserstrahlen so ausgerichtet, dass sie die Geometrie eines Objekts aus verschiedenen Richtungen definieren. So entsteht ein 3D-Bild innhalb eines Behälters, der mit Kunststoffharz gefüllt ist. Dort wo die Laserstrahlen aufeinandertreffen wird das flüssige Material aufgrund der höheren Intensität in rund 10 Sekunden ausgehärtet. Das restliche, noch flüssige Material kann aus dem Behälter abgelassen werden und zurück bleibt das fertige 3D-Objekt. Dieser Ansatz verkürzt die Herstellungszeit von bisherigen 3D-Druckverfahren enorm. Aufgrund der geringen Kosten, Flexibilität, Geschwindigkeit und geometrischen Flexibilität glauben die Forscher eine bedeutende neue Richtung im 3D-Druck eingeschlagen zu haben.

„Es ist eine Demonstration dessen, wie die Additive Fertigung der nächsten Generation aussehen könnte,“ fügt Chris Spadaccini vom LLNL hinzu. „Die meisten Technologien für 3D-Druck und Additive Fertigung bestehen entweder aus einer ein- oder zweidimensionalen Bedienungseinheit. Dieses Verfahren holt die Fertigung in einen komplett dreidimensionalen Betrieb, was bislang noch nicht versucht wurde. Die mögliche Auswirkung auf den Durchsatz könnte enorm sein. Wenn man es verbessert, kann man trotzdem noch ein hohes Maß an Komplexität erzielen.“

Bislang wurden mit dem Prozess Balken, Flächen, Streben mit beliebigen Winkeln, Gitter und komplexe, einzigartige gebogene Objekte hergestellt. Stützstrukturen sind dabei nicht notwendig.

„Dies könnte der einzige Weg sein, um 3D-Druck ohne einzelne Schichten durchzuführen,“ sagt Shusteff. „Wenn man vom Schichtverfahren weg kommt, besteht eine Chance richtungsabhängige Eigenschaften zu eliminieren. Nachdem alle Teile eines Objekts gleichzeitig geformt werden gibt es auch keine Probleme mit Oberflächen.“

Shusteff hofft damit die Grundlage für weitere Forschung geschaffen zu haben, bei der neue mögliche Materialien und Ansätze untersucht werden. Das Verfahren könnte zudem mit einer stärkeren Lichtquelle noch weiter beschleunigt werden. Auch Hydrogele würden sich gut dafür eigenen und Herausforderungen beim 3D-Druck in Schwerelosigkeit werden umgangen.

Jedoch hat auch dieses Verfahren seine Grenzen: da sich der Lichtstrahl ohne Veränderung ausbreitet, gibt es Einschränkungen hinsichtlich Auflösung und Geometrie. Für sehr komplexe Strukturen würde man viele, sich kreuzende Laserstrahlen benötigen. Weitere Forschung auf dem Gebiet der Materialien ist ebenfalls noch nötig, um die Eigenschaften des Kunstharzes so zu manipulieren, dass verbesserte Strukturen hergestellt werden können.

3D Printing in a Fraction of the Time