Forscher entwickeln Möglichkeit zum 3D-Druck durchsichtiger Harze

Ein Team von EPFL-Ingenieuren hat ein 3D-Druckverfahren entwickelt, das mit Hilfe von Licht in Sekundenschnelle Objekte aus undurchsichtigem Harz herstellt. Ihr Durchbruch könnte vielversprechende Anwendungen in der biomedizinischen Industrie haben, zum Beispiel für die Herstellung künstlicher Arterien.

Im Jahr 2017 entwickelten die Ingenieure des Laboratory of Applied Photonic Devices (LAPD) der EPFL einen 3D-Drucker, mit dem sich Objekte in kürzester Zeit herstellen lassen. Fünf Jahre später hat das Team seine Druckmaschine und -methode verbessert und kann nun Objekte aus undurchsichtigem Harz herstellen – etwas, das zuvor nicht möglich war.

Ein winziger Yoda

Der 3D-Drucker der EPFL ist einer der schnellsten der Welt. Während die meisten 3D-Drucker das Material schichtweise auftragen, arbeitet der EPFL-Drucker mit einem volumetrischen Verfahren, der sogenannten additiven Fertigung.

“Wir giessen das Harz in einen Behälter und drehen ihn”, erklärt Christophe Moser, Professor am LAPD. “Dann bestrahlen wir den Behälter in verschiedenen Winkeln, so dass sich das Harz verfestigt, wenn die im Harz gespeicherte Energie einen bestimmten Wert überschreitet. Es handelt sich um eine sehr präzise Methode, mit der Objekte mit der gleichen Auflösung hergestellt werden können wie mit bestehenden 3D-Drucktechniken.”

Die volumetrische Methode der Ingenieure kann für Objekte in nahezu jeder Form eingesetzt werden, und sie beschlossen, sie zu testen, indem sie einen winzigen Yoda herstellten. Für die Herstellung der Figur benötigten sie nur 20 Sekunden, während ein herkömmliches additives Fertigungsverfahren etwa zehn Minuten dauert.

Licht zur Verfestigung von Materialien nutzen

Die Lichtstrahlen sind in der Lage, das Harz zu verfestigen, indem sie mit einer im Kunststoff enthaltenen lichtempfindlichen Verbindung interagieren.

“Unsere Methode funktioniert nur, wenn das Licht in einer geraden Linie durch das Harz läuft, ohne abgelenkt zu werden”, sagt Antoine Boniface, Postdoc am LAPD. “Bisher haben wir immer durchsichtiges Harz verwendet, aber wir wollten sehen, ob wir Objekte aus undurchsichtigem Harz drucken können, wie es in der biomedizinischen Industrie verwendet wird.”

Die Herausforderung bei der Verwendung von undurchsichtigem Harz in volumetrischen Prozessen besteht darin, dass sich das Licht nicht gleichmäßig ausbreitet, so dass es schwierig ist, die für die Verfestigung des Harzes erforderliche Energiemenge zu akkumulieren.

“Mit opakem Harz haben wir eine Menge Auflösung im gedruckten Objekt verloren”, sagt Jorge Madrid-Wolff, Doktorand am LAPD. “Also haben wir versucht, eine Lösung zu finden, mit der wir Objekte aus diesem Harz herstellen können, ohne dabei die Vorteile unseres 3D-Druckers zu verlieren.”

Anpassung der Computerberechnungen

Die Lösung, die die Ingenieure fanden, war eigentlich ganz einfach. Zunächst beobachteten sie mit einer Videokamera die Flugbahn des Lichts durch den Kunststoff und entwickelten dann Computerberechnungen, um die Verzerrung der Lichtstrahlen zu kompensieren. Sie programmierten ihren Drucker so, dass er diese Berechnungen durchführt und die Lichtstrahlen während des Druckvorgangs korrigiert. Dadurch wurde sichergestellt, dass die zur Verfestigung des Harzes erforderliche Energiemenge an den gewünschten Stellen erreicht wird. Durch die Anpassung der Computerberechnungen waren die Ingenieure in der Lage, Objekte aus undurchsichtigem Harz mit fast der gleichen Präzision zu drucken wie aus transparentem Harz – ein wichtiger Durchbruch.

Die LAPD-Methode kann für den 3D-Druck biologischer Materialien, wie z.B. künstlicher Arterien, verwendet werden. In einem nächsten Schritt hoffen die Ingenieure, mehrere Materialien gleichzeitig drucken zu können und die Auflösung ihres Druckers von einem Zehntelmillimeter auf einen Mikrometer zu erhöhen. Die Forschungsergebnisse der Ingenieure wurden in Advanced Science veröffentlicht.

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