Schneller 3D-Druck ohne Schichten

3D-Druck erlaubt die Herstellung von Bauteilen in neuartigen Formen und Konfigurationen. Doch die Technologie beschränkt sich derzeit auf schichtbasierte Druckmethoden, die je nach Komplexität Stunden oder Tage für die Fertigung eines Bauteils in Anspruch nehmen können. Das könnte sich bald ändern.

Doch mit dem Einsatz laser-generierter, hologramm-artiger 3D-Bilder, die in ein lichtempfindliches Kunstharz eingeblendet werden, haben Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), der UC Berkeley, der University of Rochester und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Verfahren entdeckt, mit dem sich komplexe 3D-Teile in einem Bruchteil der Zeit des schichtbasierten Aufbaus generieren lassen. Den neuartigen Ansatz, beschrieben im Journal „Science Advances“ vom 8. Dezember, bezeichnen sie als „volumetrischen“ 3D-Druck

LLNL-Forscher Maxim Shusteff erklärt: „Die Tatsache, dass man 3D-Teile komplett in einem Schritt erstellen kann, löst ein Problem der additiven Fertigung. Wir versuchen eine 3D-Form an allen Stellen gleichzeitig zu drucken. Das eigentliche Ziel dieses Papers war die Frage ‚Können wir, anstatt die Teile Schicht für Schicht zusammenzusetzen, beliebige 3D-Formen auf einmal herstellen?‘ Und das können wir.“

Wie es funktioniert

Drei, sich überlappende Laserstrahlen definieren die Geometrie eines Objekts aus drei verschiedenen Richtungen und erschaffen ein 3D-Bild, das im Kunstharz aufgefangen wird. Der Laser, der am Kreuzungspunkt der Strahlen intensiver ist, wird für rund 10 Sekunden aufrechterhalten, was ausreicht, um das Teil auszuhärten. Das überflüssige Kunstharz wird aus dem Gefäß gespült, und fast wie von Zauberhand erhalten die Forscher ein vollständig ausgeformtes Bauteil.

Der Ansatz mache die Fertigung von Bauteilen im Vergleich zu polymerbasierten Verfahren und den meisten anderen kommerziell genutzten Verfahren der additiven Fertigung erheblich schneller, resümieren die Forscher. Niedrige Kosten, Flexibilität, Tempo und geometrische Vielseitigkeit sollen der Lösung dazu verhelfen, eine neue Hauptstoßrichtung in der Erforschung des schnellen 3D-Drucks zu eröffnen.

LLNL-Ingenieur Chris Spadaccini geht davon aus, dass die neue Lösung die nächste Generation der additiven Fertigung vorwegnehme. Während die meisten 3D-Druck-Technologien auf einer ein- oder zweidimensionalen Arbeitsweise beruhen, führe der neue Ansatz zu einer vollständig 3D-basierten Arbeitsweise. Das könne den Durchsatz enorm erhöhen helfen, und das auch bei großer  Komplexität.

Mit dem Verfahren druckten Shusteff und sein Team Balken, Flächen und Streben mit beliebigen Winkeln, Gitter und komplexe oder ungewöhnlich geformte Objekte. Während sich der konventionelle 3D-Druck mit Strukturen schwertut, die sich ohne Stützen durchbiegen würden, kennt das „volumetrische“ Drucken keine derartigen Grenzen. Viele gewölbte Oberflächen lassen sich ohne die für den schichtweisen Aufbau typischen Artefakte herstellen.

Für Shusteff könnte das volumetrische Drucken mit einer höher energetischen Lichtquelle noch weiter beschleunigt werden. Besonders weiche Materialien wie Hydrogel, die andernfalls durch die Bewegung der Flüssigkeit beschädigt werden würden, lassen sich als Ganzes fertigen. Zudem sei das neue Verfahren das einzige in der additiven Fertigung, das besser in der Schwerelosigkeit funktionieren, was den Einsatz in der Raumfahrt möglich erscheinen lasse.

Nicht alles geht

Es gebe allerdings auch Einschränkungen, so die Forscher. Weil sich jeder Strahl unverändert im Raum fortpflanzt, ist die Auflösung begrenzt und nicht alle Geometrien lassen sich verwirklichen. Sehr komplexe Strukturen würden eine große Zahl sich kreuzender Laserstrahlen erfordern. Spadaccini sieht weitere Forschungsarbeiten in der Polymerchemie als notwendig an, um die Eigenschaften des Kunstharzes zu verbessern und somit bessere Strukturen zu erhalten.

Es sei eine Sache des Timings. Sei die Lichtquelle zu lange aktiv, härte sie das gesamte Material aus. Ein großer Teil der Arbeit befasse sich damit, herauszufinden, wie lange und welcher Intensität sie betrieben werden könne und wie das mit der Chemie zusammenspiele.