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UV-härtbare Polymermischung für Nanometer-Rauigkeit bei 3D-Objekten

Forscher der Stanford University entwickelten eine UV-härtbare Polymermischung, um die Oberflächenrauigkeit von 3D-gedruckten Objekten, welche meist mehrere Mikrometer beträgt, in den Nanometerbereich zu bringen.

3D-Druck stellt für viele Branchen eine kostengünstige sowie schnelle Herstellungs-Methode dar. Ein Nachteil bei der Verwendung von additiver Fertigung ist jedoch die meist raue Oberfläche nach dem 3D-Druck. Vor allem bei der Fertigung von Spiegeln, Linsen, Solarzellen und ähnlichem kann dieser Faktor sehr störend sein.

Um eben diesen “Störfaktor” auf ein Minimum zu reduzieren, schlossen sich Nina Vaidya und Olav Solgaard, Forscher der Stanford University, zusammen. Gemeinsam forschten die beiden an einer Möglichkeit die Oberflächenrauigkeit von 3D-gedruckten Objekten zu minimieren und veröffentlichten zu diesem Thema bereits einen Artikel unter dem Titel “3D gedruckte Optik mit Oberflächenrauigkeit im Nanometerbereich”.

Im Rahmen ihrer Forschungen entwickelten die Studenten eine UV-härtbare Polymermischung, welche auf 3D-Objekte aufgetragen wird. Durch diese Mischung gelang es den Forschern schlussendlich die Rauigkeit vom Mikrometerbereich in den Nanometerbereich zu reduzieren.

3D-gedruckte Parabolspiegel in verschiedenen Stadien des Herstellungsprozesses: direkt nach dem 3D-Druck (a), nach dem Glätten (b) und dem fertigen Spiegel nach Glättung und Al-Abscheidung (c)

“Wir haben eine Reihe von Glättungstechniken ausprobiert, darunter Flammpolieren, Azeton-Dampfpolieren, Spritzen von Polymerbeschichtungen und mechanisches Polieren”, erklären die Forscher. “Keines dieser Verfahren erzeugt glatte Oberflächen im Nanometermaßstab, die für optische Anwendungen benötigt werden. Um dieses Oberflächenrauhigkeitskriterium zu erfüllen, beschichteten wir die gedruckte Optik mit einer UV-härtbaren Polymermischung, die aus Methacrylaten, Acrylaten und Polymeren auf Urethanbasis bestand. Dieses Gel führte zu glatten und zähen Filmen, die gut auf den bedruckten Oberflächen hafteten. Im Vergleich zu einer Hitzehärtung minimiert eine UV-Härtung die Schrumpfung des Polymers, was die Oberflächenglätte und die konforme Abdeckung maximiert.”

In einem ersten Schritt wird das 3D-gedruckte Teil mit Wasser und Reinigungsmittel gewaschen, geföhnt und in einen Ofen bei niedriger Temperatur gestellt. Weiters wird das Objekt für einige Stunden in ein Vakuum gestellt, um zu entgasen. Nachdem dieser Schritt abgeschlossen ist kann die UV-härtbare Polymermischung mit einer feinen Bürste in einer dünnen Schicht auf die Oberfläche des Objekts aufgetragen werden. Nach dem Auftragen wird das Objekt ein weiteres Mal in einem Vakuum platziert, um überschüssige Luft zu entfernen und so eine glatte Oberfläche zu erhalten. Im letzten Schritt wird das 3D-gedruckte und nun beschichtete Objekt einige Minuten, je nach Größe des Teils, UV-gehärtet.

Nach diversen Tests an Spiegeln, Solarkonzentrator-Arrays und Immersionslinsen konnten die Forscher zu ihrem Glück feststellen, dass alle getesteten Objekte eine Oberflächenrauigkeit von weniger als drei Nanometer aufwiesen.

STL-Datei eines Parabolspiegels

“Die Bildgebung mit 3D-gedruckten Parabolspiegeln war vergleichbar mit einem diamantgedrehten Metallspiegel, und nahezu beugungsbegrenzte Spotgrößen wurden mit kleinen Aperturblenden gemessen”, erklären die Forscher. “Die sechseckigen Solarkonzentrator-Arrays wurden im 3D-Druckverfahren hergestellt und zeigten 5 Sonnenkonzentrationen über einen Akzeptanzwinkel von 40 °. PDMS-Immersionslinsen wurden mit nanometerglatten Oberflächen hergestellt, die aus 3D-gedruckten Formen freigesetzt wurden.”

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