Studie: Carbons CLIP 3D-Druck könnte “fünf- bis zehnmal schneller” sein

In der additiven Fertigung ist es unabdingbar, die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen, Harze mit höherer Viskosität zu verwenden und mit mehreren verschiedenen Harzen gleichzeitig zu drucken. Zu diesem Zweck haben Forscher der Stanford University ein bisher unerforschtes dreidimensionales Druckverfahren auf der Grundlage der Photopolymerisation mit ultraviolettem Licht entwickelt.

Die Methode nutzt eine kontinuierliche Flüssigkeitsschnittstelle – die tote Zone -, die mechanisch mit Harz bei erhöhtem Druck durch mikrofluidische Kanäle gespeist wird, die dynamisch erstellt und in das wachsende Teil integriert werden. Durch diese Steuerung des Massentransports kann die kontinuierliche Flüssigkeitsgrenzflächenproduktion durch Injektion (iCLIP) die Druckgeschwindigkeiten auf das 5- bis 10-fache im Vergleich zu aktuellen Methoden wie CLIP (Continuous Liquid Interface Production) beschleunigen, Harze verwenden, die um eine Größenordnung viskoser sind als CLIP, und problemlos ein einzelnes heterogenes Objekt mit verschiedenen Harzen in allen kartesischen Koordinaten strukturieren.

Der “iCLIP”-Ansatz ist grundsätzlich nichts vollkommen neues: Basierend auf der von Carbon entwickelten CLIP-Methode, wird eine mit Sauerstoff gefüllte Zone am Boden des Harzbeckens mit einem CLIP-Drucker wiederverwendet. Zustäzlich wird bei der iCLIP-Methode noch Material eingefüllt, um den Prozess zu beschleunigen.

“Diese neue Technologie wird dazu beitragen, das Potenzial des 3D-Drucks voll auszuschöpfen”, sagt Joseph DeSimone, einer der Autoren der Studie und Carbon-Mitbegründer. “Sie wird es uns ermöglichen, viel schneller zu drucken und damit eine neue Ära der digitalen Fertigung einzuläuten sowie die Herstellung komplexer, aus mehreren Materialien bestehender Objekte in einem einzigen Schritt zu ermöglichen.”

DeSimone war bereits an der Entwicklung der CLIP-Methode bei Carbon beteiligt. Das Verfahren zählt zu den Photopolymerisationsverfahren, es hat aber einige Unterschiede zu SLA oder DLP. Statt jede Schicht nacheinander aufzubauen, werden durch UV-Licht-Interaktionen die Objekte um ein vieles schneller gedruckt.

Innerhalb des Harzbeckens liegt die Tote Zone. In dieser können kleine Aushärtungen stattfinden, so dass Querschnittbilder oberhalb der Zone projiziert werden. Dadurch steigt ein verfestigtes Teil in gewünschten Formen auf und unterhalb kann wieder eine neue Schicht ausgehärtet werden.

Probleme hierbei sind aber genügend gegeben: Steigt ein Teil zu schnell auf oder besitzt das Material eine zu hohe Viskosität, wird das Modell meist unbrauchbar und man muss von vorne beginnen.

Zur Lösung dieser Probleme haben die Forscher die iCLIP-Methode entwickelt: Durch eine Spritzpumpe wird das Harz an Schlüsselpunkten zugeführt.

“Der Harzfluss bei CLIP ist ein sehr passiver Prozess – man zieht das Objekt einfach nach oben und hofft, dass der Sog das Material an die Stelle bringt, an der es benötigt wird”, erklärt Gabriel Lipkowitz, einer der anderen Koautoren der Studie. “Mit dieser neuen Technologie injizieren wir aktiv Harz in die Bereiche des Druckers, in denen es benötigt wird”.

Zudem ermöglicht die neue Methode auch die Herstellung von Bauteilen mit integrierten, Venenähnlichen Kanälen, und von Teilen mit verschiedenen Materialtypen. Diese Theorie testeten die Forscher, indem sie einen Prototypen mit drei Zufuhrschläuchen mit unterschiedlich farbigen Material bauten, und anschließend Modelle berühmter Gebäude druckten.

Tatsächlich wiesen die modelle weniger Defekte auf als jene, die mit dem CLIP-Verfahren gedruckt wurden. Das Team stoppte jedoch nicht hier, sondern begann die Entwicklung einer Software zur besseren Verteilung der Schlauchmaterialien.

“Ein Designer sollte kein Verständnis für Flüssigkeitsdynamik haben müssen, um ein Objekt extrem schnell zu drucken”, schließt Lipkowitz. “Wir versuchen, eine effiziente Software zu entwickeln, die aus einem Teil, das ein Designer drucken möchte, nicht nur das Verteilungsnetz automatisch generiert, sondern auch die Durchflussraten für die Verabreichung verschiedener Harze bestimmt, um ein Multimaterialziel zu erreichen.”

Mehr über die Stanford University finden Sie hier.