Inverted Laser Sintering: US-Forscher entwickeln neues Verfahren für 3D-Multimaterialdruck

Forscher der Fakultät für Ingenieurwesen der Columbia University haben ein neuartiges 3D-Druckverfahren mit selektivem Lasersintern (SLS) demonstriert, mit dem mehrere Pulver in der gleichen Druckauflage gesintert werden können.

Indem sie den Laser in einem SLS-3D-Drucker umkehrten, so dass er nach oben zeigt, und seinen Pulverbettkasten durch Glasplatten ersetzten, waren die Forscher in der Lage, mit zahlreichen Materialien gleichzeitig zu drucken. Die neue Technik des Teams ermöglichte es ihnen, verbesserte Funktionsprototypen herzustellen, die zwei verschiedene Polymere in derselben Schicht enthalten. Mit der Weiterentwicklung konnte das Verfahren zur Herstellung einer Reihe von Multimaterialteilen genutzt werden, die von eingebetteten Leiterplatten bis hin zu Roboterkomponenten reichen.

Traditionell arbeitet das Lasersintern mit nach unten gerichteten Lasern, um mikroskopisch kleine Materialpartikel in einem Pulverbett miteinander zu verschmelzen. Eine Reihe von Materialien sind mit dem SLS-3D-Druckverfahren kompatibel, darunter Thermoplaste und Metalle.

Obwohl die Flexibilität des Lasersinterns zahlreiche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Verteidigungsindustrie findet, hat das Produktionsverfahren immer noch Nachteile. Um beispielsweise das Partikelsintern zu erleichtern, ist es bei SLS-Prozessen erforderlich, das gesamte Pulverbett auf schmelznahe Temperaturen zu erhitzen. Diese Umgebungserwärmung kann chemische und physikalische Veränderungen verursachen, die sich negativ auf die Vorhersagbarkeit des Materials auswirken und zu ungeschmolzenen Partikeln führen.

Darüber hinaus stützt ungesintertes Pulver das Teil während des Druckvorgangs und macht dedizierte Stützstrukturen überflüssig. Es macht auch die Überwachung des Prozesses schwierig, da der Druck mit einem Pulverkuchen verdeckt wird. Dies hat zur Folge, dass, wenn ein Aufbau versagt und keine prozessbegleitende Überwachung stattfindet, die Fehler möglicherweise erst am Ende des Prozesses entdeckt werden. Ebenso ist es so, dass bei dem SLS-Verfahren normalerweise nur mit einem Material gleichzeitig arbeiten kann.

Inverted Laser Sintering (ILS) ermöglicht Druck mit mehreren Materialien

Die Forscher entwickelten eine neuartige 3D-Drucktechnik, die sie Inverted Laser Sintering (ILS) genannt haben. Bei der neuen Methode werden die Partikel eines Materials zusammengesintert, indem der Laser des Druckers durch eine Borosilikatglasscheibe senkrecht nach oben in eine dünne Pulverschicht gelenkt wird.

ILS beginnt damit, dass eine kontrollierte Menge Polymerpulver auf das Glas aufgebracht wird. Dann wird ein Substrat auf die ungeschmolzene Pulver-Monoschicht gepresst, da ein blauer Laser verwendet wird, um das partikuläre Material selektiv darauf zu schmelzen. Sobald der Prozess abgeschlossen ist und das Substrat angehoben wurde, kann das Material wieder aufgefüllt werden. Das Verfahren wird dann wiederholt, wobei kontinuierlich neue Schichten miteinander verschmolzen werden, bis ein 3D-Objekt entsteht.

Bei Verwendung mehrerer Glasplatten ist es möglich, mehrere verschiedene Pulver zu verwenden, was die Herstellung von abgestuften und Multimaterialteilen ermöglicht. Zudem wird durch das getrennte Sintern der Pulver verhindert, dass sie sich vermischen, wie es bei einem traditionellen Pulverbettverfahren der Fall wäre. Während der Tests des Teams wurde zwar kein Reinigungsverfahren implementiert, aber es kann auch in das ILS integriert werden. Durch den Transport des Druckteils zwischen mehreren Druckbetten können lose Pulver zwischen den Druckpausen entfernt werden.

Die komplette Forschung der Wissenschaftler kann in dem Paper “Inverted multi-material laser sintering” nachgelesen werden.