Wissenschaftler entwickeln neue Technik zur Verbesserung der 3D-Qualität

27. Juli 2023

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von TranSpread

Im letzten Jahrzehnt haben 3D-Drucktechnologien beispiellose Entwicklungen und Veränderungen erlebt. Sie ermöglichen nun die schnelle Herstellung dreidimensionaler Objekte zu einem sehr wettbewerbsfähigen Kostenkomplex. Dies macht 3D-Drucker besonders attraktiv und relevant für verschiedene Bereiche, darunter die Luft- und Raumfahrtindustrie oder medizinische Geräte.

Bis vor Kurzem basierte das Paradigma des lichtbasierten 3D-Drucks oder der additiven Fertigung (AM) hauptsächlich auf der Verwendung eines Bottichs mit flüssigem Photopolymerharz. Ein ultravioletter (UV) Lichtstrahl härtet das Harz Schicht für Schicht aus, während eine Plattform das herzustellende Objekt nach dem Aushärten jeder neuen Schicht nach unten bewegt.

Das UV-Licht wird entweder rasterweise abgetastet, um das Harz Punkt für Punkt zu verfestigen, oder es wird auf das Harz gestrahlt, um die gesamte Schicht auf einmal auszuhärten. Aufgrund der schichtweisen Beschaffenheit des Druckprozesses unterliegen diese lichtbasierten AM-Techniken erheblichen geometrischen Einschränkungen und Durchsatzbeschränkungen.

In einem neuen Artikel, der in Light: Advanced Manufacturing veröffentlicht wurde, hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Christophe Moser von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne eine neue Technik entwickelt, um die Qualität von 3D-gedruckten Gegenständen zu verbessern, ohne die projizierten Muster zu vergrößern.

In den letzten Jahren sind mehrere VAM-Technologien (Fully Volumetric Additive Manufacturing) entstanden, die vom schichtweisen Ansatz abweichen.

Die Zwei-Photonen-Photopolymerisation stellt den neuesten Stand der Technik des volumetrischen Druckens mit Licht dar. Es ermöglicht die Herstellung mikroskaliger Objekte mit einer lateralen Auflösung von 100 nm und einer axialen Auflösung von 300 nm. Allerdings ist dieser Prozess mit einer Druckgeschwindigkeit von nur 1–20 mm3/h langsam und erfordert teure Femtosekunden-Laserquellen.

Letztendlich bestimmt die optische Auflösung des Druckers die erreichbare gedruckte Voxelgröße. Bei DLP und tomografischem VAM wird die optische Auflösung bestenfalls durch die Eigenschaften des Modulators bestimmt, der zur Lichtstrukturierung verwendet wird, nämlich dem DMD.

Das Forschungsteam verwendete einen DLP7000-Chip von Texas Instruments, der auf seiner Oberfläche Nx × Ny = 768 × 1.024 Mikrospiegel aufweist, die in einem rechteckigen Array angeordnet sind und 8-Bit-Bilder anzeigen können. Das DMD-Bild wird im optischen System des Teams um den Faktor 1,66 vergrößert. Das resultierende Muster auf dem Fläschchen ist 1,74 cm × 2,33 cm groß und hat eine Auflösung von 23 μm.

Die einzige Möglichkeit, die Größe der gedruckten Objekte zu erhöhen, ohne die Auflösung zu beeinträchtigen, besteht darin, das DMD für das Fläschchen zu verschieben oder umgekehrt. Das Team schlug vor, die Probe mit einer spiralförmigen Flugbahn um den Lichtstrahl zu bewegen. Sie zeigten, dass die seitlich druckbare Größe ohne Beeinträchtigung der Auflösung verdoppelt werden konnte, indem die optische Achse gegenüber der Rotationsachse des Fotoharzbehälters verschoben wurde.

Zusammen erhöhen diese beiden Tricks die Anzahl der Bausteine ​​im Inneren des Fläschchens um den Faktor 12. Die verfügbaren gedruckten Voxel werden genutzt, um größere Objekte bis zu 3 cm × 3 cm × 5 cm in wenigen Minuten zu drucken.

Das Forschungsteam hat einen rotierenden und einen linearen Translationstisch kombiniert, um das Glasfläschchen mit dem Fotolack in eine spiralförmige Bewegung zu versetzen. Die Forscher wiesen darauf hin, dass nicht das gesamte Harz auf einmal beleuchtet wird, wie bei der herkömmlichen tomografischen VAM. Bei VHAM wird das gesamte Harz erst nach einem vollständigen Zyklus vollständig angeregt.

Es gibt einige überlappende Bereiche zwischen den Mustern, sodass nach einer Drehung der untere und der obere Teil zusammenfallen. Die Größe der Überlappung wird fein abgestimmt, indem die Rotationsgeschwindigkeit des Fläschchens an die vertikale Bewegung des Translationstisches angepasst wird, was für die Gewährleistung der Kontinuität der gedruckten Objekte unerlässlich ist.

Das Team hat einen Proof-of-Concept einer neuen lichtbasierten Technik für den volumetrischen Druck von Objekten im Multizentimeterbereich vorgelegt. Es baut auf tomografischem VAM auf, um die Anzahl der druckbaren Voxel erheblich zu erhöhen und gleichzeitig das gleiche Lichtmodulationsgerät für die Projektion beizubehalten, ohne die Druckauflösung zu sehr zu beeinträchtigen. Dies wurde erreicht, indem der Lichtmodulator außermittig angeordnet wurde und das Harz kontinuierlich vertikal entlang des strukturierten Lichtstrahls verschoben wurde.

Diese einfachen Modifikationen können problemlos an vorhandenen Tomographiedruckern vorgenommen werden und eröffnen neue Möglichkeiten für die hochauflösende und schnelle Herstellung von Objekten mit einer Größe von bis zu 3 cm × 3 cm × 6 cm. Helikales tomographisches VAM könnte daher für Anwendungen in Bereichen attraktiv sein, in denen Objekte im cm-Maßstab einzeln hergestellt werden müssen, wie beispielsweise in der Dentalindustrie, obwohl die Auflösung verbessert werden muss, um den aktuellen Anforderungen der Industrie gerecht zu werden.

Mehr Informationen: Antoine Boniface et al., Volumetrische helikale additive Fertigung, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.012