Im Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ arbeiten Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg interdisziplinär an innovativen Lösungen und Materialien für die digital skalierbare additive Fertigung, um die Präzision, Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit des 3D-Drucks zu optimieren. Ziel der Forschung ist es, die 3D-Fertigung und die Materialbearbeitung vom Molekül bis zur Mikrostruktur vollständig zu digitalisieren. Neben der Förderung als Exzellenzcluster im Rahmen des Exzellenzstrategie-Wettbewerbs von Bund und Ländern wird „3D Matter Made to Order“ von der Carl Zeiss Stiftung finanziert.

Die Quadratur des 3D-Drucks

Das Ziel der meisten 3D-Druckverfahren ist es, Objekte aus Kunststoff präzise, schnell, zuverlässig und möglichst kostengünstig zu drucken. Eine feine Auflösung beziehungsweise gute Qualität bei gleichzeitig hoher Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit stellt aber nach wie vor eine technologische Herausforderung dar. Ein Forschungsverbund dreier renommierter Institute – das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Heidelberg sowie die Queensland University of Technology (QUT) – ist dieser Quadratur des 3D-Drucks aktuell ein großes Stück nähergekommen. Er entwickelte ein Laserdruckverfahren, mit dem mikrometergroße Teile im Bruchteil einer Sekunde gedruckt werden können. Die Ergebnisse seiner Arbeit veröffentlichte das internationale Team jetzt in Nature Photonics.

Ein neues Verfahren etabliert sich

Der 3D-Druck im Stereolithographie-Verfahren hat sich aufgrund seiner Vorteile zuletzt als eines der beliebtesten additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe etabliert, sowohl im privaten Umfeld als auch für industrielle Anwendungen. Anders als beim bekannteren Fused Deposition Modeling (FDM), bei dem die Druckstücke schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff entstehen, werden bei der Stereolithografie die Lagen eines 3D-Objekts nacheinander in einen mit Harz gefüllten Behälter projiziert und mit UV-Licht ausgehärtet. Gängige Stereolithografie-Verfahren sind für hohe industrielle Ansprüche aber noch zu langsam und auch die Auflösung hat noch Luft nach oben. Und da kommt das von den Forschenden des KIT eingesetzte Light-Sheet-3D-Printing ins Spiel, das als schnelle und hochauflösende Alternative zukünftig selbst industriellen Ansprüchen genügen soll.

3D-Druck mit zwei Farben in zwei Stufen

Beim Light-Sheet-3D-Druck wird zuerst blaues Licht in einen Behälter projiziert, durch welches das darin befindliche flüssige Harz voraktiviert wird. In einem zweiten Durchgang liefert ein roter Laserstrahl dann die zusätzliche Energie, die zum eigentlichen Aushärten des Harzes erforderlich ist. Wirklich schnell drucken lassen sich aber im 3D-Druck nur Harze, die rasch aus dem voraktivierten Zustand in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, weil erst dann die nächste Schicht gedruckt werden kann. Diese Rückkehrzeit diktiert folglich die Wartezeit zwischen zwei aufeinander folgenden Schichten und damit die Druckgeschwindigkeit. „Bei dem Harz, das wir verwendet haben, betrug die Rückkehrzeit weniger als 100 Mikrosekunden, was hohe Druckgeschwindigkeiten ermöglicht“, so Erstautor Vincent Hahn vom Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT.

Mikrometergroße Strukturen in nur einem Wimpernschlag

Um den Geschwindigkeitsvorteil des neuen Harzes optimal nutzen zu können, haben die Forschenden gleich auch noch den passenden 3D-Drucker dazu entworfen. In diesem Drucker projizieren zuerst blaue Laserdioden die Schichten mithilfe eines hochauflösenden Displays mit hoher Frequenz in das flüssige Harz. Ein roter Laser wiederum wird zu einem dünnen „Lichtblatt“-Strahl geformt und kreuzt den blauen Strahl senkrecht im Harz. Mit dieser Anordnung konnte das Team mikrometergroße 3D-Teile in wenigen hundert Millisekunden, also in einem Wimpernschlag drucken. Das sei aber erst der Anfang: „Mit empfindlicheren Harzen könnten wir sogar LEDs statt Laser in unserem 3D-Drucker einsetzen“, sagt Professor Martin Wegener vom APH. „Letztlich wollen wir zentimetergroße 3D-Strukturen drucken und dabei die Auflösung im Mikrometerbereich und die hohe Druckgeschwindigkeit beibehalten.“

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