Neues 3D-Druckverfahren verspricht schnelleres Drucken mit mehreren Materialien

Methode ist 5 bis 10 Mal schneller als der schnellste derzeit verfügbare hochauflösende Drucker und kann mehrere Harzarten in einem einzigen Objekt verwenden

30.09.2022 - USA

Die Fortschritte im 3D-Druck haben es Designern und Ingenieuren erleichtert, Projekte individuell zu gestalten, physische Prototypen in verschiedenen Maßstäben zu erstellen und Strukturen zu produzieren, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich sind. Doch die Technologie stößt immer noch an ihre Grenzen: Das Verfahren ist langsam und erfordert spezielle Materialien, die meist einzeln verwendet werden müssen.

Forscher in Stanford haben eine Methode des 3D-Drucks entwickelt, die verspricht, Drucke schneller zu erstellen, indem sie mehrere Arten von Harz in einem einzigen Objekt verwenden. Ihr Entwurf, der kürzlich in Science Advances veröffentlicht wurde, ist fünf- bis zehnmal schneller als die schnellste derzeit verfügbare hochauflösende Druckmethode und könnte es den Forschern ermöglichen, dickere Harze mit besseren mechanischen und elektrischen Eigenschaften zu verwenden.

"Diese neue Technologie wird dazu beitragen, das Potenzial des 3D-Drucks voll auszuschöpfen", sagt Joseph DeSimone, der Sanjiv Sam Gambhir Professor für Translationale Medizin und Professor für Radiologie und Chemieingenieurwesen in Stanford und korrespondierender Autor der Studie. "Es wird uns ermöglichen, viel schneller zu drucken und damit eine neue Ära der digitalen Fertigung einzuläuten sowie die Herstellung komplexer Objekte aus mehreren Materialien in einem einzigen Schritt zu ermöglichen."

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Kontrolle des Harzflusses

Das neue Design verbessert eine von DeSimone und seinen Kollegen im Jahr 2015 entwickelte Methode des 3D-Drucks, die sogenannte kontinuierliche Flüssigkeitsschnittstellenproduktion (CLIP). Der CLIP-Druck sieht aus wie aus einem Science-Fiction-Film - eine ansteigende Plattform zieht das Objekt, das scheinbar vollständig geformt ist, sanft aus einem dünnen Harzpool. Das Harz an der Oberfläche wird durch eine Abfolge von UV-Bildern, die durch den Pool projiziert werden, in die richtige Form gehärtet, während eine Sauerstoffschicht das Aushärten am Boden des Pools verhindert und eine "tote Zone" schafft, in der das Harz in flüssiger Form bleibt.

Die tote Zone ist der Schlüssel zur Geschwindigkeit von CLIP. Wenn das feste Teil nach oben steigt, soll sich das flüssige Harz dahinter füllen und einen gleichmäßigen, kontinuierlichen Druck ermöglichen. Dies geschieht jedoch nicht immer, insbesondere wenn das Teil zu schnell aufsteigt oder das Harz besonders zähflüssig ist. Bei dieser neuen Methode, die als Injektions-CLIP (iCLIP) bezeichnet wird, haben die Forscher Spritzenpumpen auf der aufsteigenden Plattform angebracht, um an den entscheidenden Stellen zusätzliches Harz hinzuzufügen.

"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", sagt Gabriel Lipkowitz, Doktorand im Maschinenbau in Stanford und Hauptautor der Arbeit. "Mit dieser neuen Technologie injizieren wir aktiv Harz in die Bereiche des Druckers, in denen es benötigt wird.

Das Harz wird durch Schläuche zugeführt, die gleichzeitig mit dem Design gedruckt werden. Die Leitungen können nach Fertigstellung des Objekts entfernt oder in das Design integriert werden, so wie Venen und Arterien in unseren Körper eingebaut werden.

Multimaterialdruck

Durch die separate Injektion von zusätzlichem Harz bietet iCLIP die Möglichkeit, im Laufe des Druckvorgangs mit mehreren Harzarten zu drucken - für jedes neue Harz wird einfach eine eigene Spritze benötigt. Die Forscher testeten den Drucker mit bis zu drei verschiedenen Spritzen, die jeweils mit unterschiedlich gefärbtem Harz gefüllt waren. Sie druckten erfolgreich Modelle berühmter Gebäude aus mehreren Ländern in den Farben der jeweiligen Landesflagge, darunter die Sophienkathedrale in den Farben Blau und Gelb der ukrainischen Flagge und die Independence Hall in Rot, Weiß und Blau der USA.

"Die Möglichkeit, Objekte mit unterschiedlichen Material- oder mechanischen Eigenschaften herzustellen, ist ein heiliger Gral des 3D-Drucks", sagt Lipkowitz. "Die Anwendungen reichen von sehr effizienten energieabsorbierenden Strukturen bis hin zu Objekten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften und fortschrittlichen Sensoren."

Nachdem sie erfolgreich gezeigt haben, dass iCLIP das Potenzial hat, mit mehreren Harzen zu drucken, arbeiten DeSimone, Lipkowitz und ihre Kollegen an einer Software, um das Design des Flüssigkeitsverteilungsnetzes für jedes gedruckte Teil zu optimieren. Sie wollen sicherstellen, dass die Designer die Grenzen zwischen den verschiedenen Harzarten genau kontrollieren und den Druckprozess möglicherweise noch weiter beschleunigen können.

"Ein Designer sollte kein Verständnis für Flüssigkeitsdynamik haben müssen, um ein Objekt extrem schnell zu drucken", sagt 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 Fließgeschwindigkeiten für die Verabreichung verschiedener Harze bestimmt, um ein Multimaterialziel zu erreichen."

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