3D-Druck 100-mal schneller mit Licht

Anstatt Kunststoff-Filamente Schicht für Schicht aufzubauen, hebt ein neuer Ansatz für den 3D-Druck komplexe Formen aus einem Bottich mit bis zu 100 Mal schneller ab als herkömmliche 3D-Druckverfahren, haben Forscher der University of Michigan gezeigt.

Der 3D-Druck könnte einiges für relativ kleine Fertigungsjobs ändern die weniger als 10.000 identische Artikel produzieren, da dies bedeuten würde, dass die Objekte ohne Form hergestellt werden können, die bis zu 10.000 USD kostet. Die bekannteste Form des 3D-Drucks, die wie das Erstellen von 3D-Objekten mit einer Reihe von 1D-Linien ist, konnte diese Lücke bei den typischen Produktionszeiträumen von ein bis zwei Wochen nicht schließen.

“Mit konventionellen Ansätzen ist das nicht wirklich erreichbar, wenn nicht hunderte von Maschinen vorhanden sind”, sagte Timothy Scott, Professor für Chemieingenieurwesen an der U-M, der gemeinsam mit Mark Burns, T.C., die Entwicklung des neuen 3D-Druckansatzes leitete. Chang Professor für Ingenieurwissenschaften an der U-M.

Ihre Methode verfestigt das flüssige Harz mit zwei Lichtern, um zu kontrollieren, wo das Harz aushärtet und wo es flüssig bleibt. Dies ermöglicht dem Team, das Harz in komplexeren Mustern zu verfestigen. Sie können ein 3D-Basrelief in einer einzelnen Einstellung erstellen, anstatt in einer Reihe von 1D-Linien oder 2D-Querschnitten. Ihre Druckvorführungen beinhalten ein Gitter, ein Spielzeugboot und einen Block M.

“Es ist einer der ersten echten 3D-Drucker, der jemals hergestellt wurde”, sagte Burns.

Der wahre 3D-Ansatz ist jedoch kein bloßer Trick – es war notwendig, die Einschränkungen früherer Bottich-Druckvorgänge zu überwinden. Das Harz neigt nämlich dazu, sich an dem Fenster zu verfestigen, durch das das Licht scheint, wodurch der Druckauftrag gestoppt wird, gleich nachdem er gestartet wird. Durch die Schaffung eines relativ großen Bereichs, in dem keine Verfestigung stattfindet, können dickere Harze – möglicherweise mit verstärkenden Pulverzusätzen – verwendet werden, um dauerhaftere Objekte herzustellen. Das Verfahren ist auch für die strukturelle Integrität des 3D-Filamentdrucks geeignet, da diese Objekte an den Grenzflächen zwischen den Schichten Schwachstellen aufweisen.

“Sie können viel härtere, viel verschleißfestere Materialien erhalten”, sagte Scott.
Eine frühere Lösung für das Problem der Verfestigung am Fenster war ein Fenster, durch das Sauerstoff hindurchtreten kann. Der Sauerstoff dringt in das Harz ein und stoppt die Verfestigung in der Nähe des Fensters. Es verbleibt ein Flüssigkeitsfilm, durch den die neu bedruckte Oberfläche abgezogen werden kann.

Da diese Lücke jedoch nur etwa so dick wie ein transparentes Klebeband ist, muss das Harz sehr schnell sein, um schnell genug in die winzige Lücke zwischen dem erstarrten Objekt und dem Fenster zu fließen, wenn das Teil hochgezogen wird. Dies hat den Bottichdruck auf kleine, maßgeschneiderte Produkte beschränkt, die relativ schonend behandelt werden, wie z. B. Dentalgeräte und Schuheinlagen.

Durch das Ersetzen des Sauerstoffs durch ein zweites Licht, um die Erstarrung zu stoppen, kann das Michigan-Team eine viel größere Lücke zwischen dem Objekt und dem Millimeter dicken Fenster erzeugen, wodurch das Harz tausendfach schneller fließen kann.

Der Schlüssel zum Erfolg ist die Chemie des Harzes. In herkömmlichen Systemen gibt es nur eine Reaktion. Ein Photoaktivator härtet das Harz überall dort, wo Licht scheint. Im Michigan-System gibt es auch einen Photoinhibitor, der auf eine andere Lichtwellenlänge reagiert. Anstatt die Verfestigung in einer 2D-Ebene zu kontrollieren, kann das Michigan-Team die beiden Arten von Licht strukturieren, um das Harz an praktisch jeder 3D-Stelle in der Nähe des Beleuchtungsfensters zu härten.

Die University of Michigan hat drei Patente eingereicht, um die vielfältigen erfinderischen Aspekte des Ansatzes zu schützen, und Scott bereitet sich auf die Gründung eines Startup-Unternehmens vor.

Ein Paper, der diese Forschung beschreibt, wird in Science Advances mit dem Titel “Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning” veröffentlicht.