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Jul 25, 2023

Neue Technik ermöglicht das Mischen von Materialien im SLA-3D-Druck

Diesen Artikel teilen Jede Form des 3D-Drucks bringt ihre eigenen einzigartigen Vor- und Nachteile mit sich, die Benutzer dazu zwingen, zwischen diesen Kompromissen zu navigieren. Zum Beispiel Schmelzabscheidung

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Jede Form des 3D-Drucks bringt ihre eigenen einzigartigen Vor- und Nachteile mit sich, die Benutzer dazu zwingen, zwischen diesen Kompromissen zu navigieren. Beispielsweise ist die Modellierung mit geschmolzener Ablagerung bekanntermaßen für den Druck mehrerer Materialien geeignet, weist jedoch Probleme mit geringer Auflösung und Porosität auf. Die Stereolithographie (SLA) hingegen bietet eine hohe Auflösung, ist jedoch derzeit nicht für den Multimaterialdruck geeignet.

Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, haben Forscher der Heriot-Watt University in Edinburgh kürzlich einen Artikel veröffentlicht, in dem sie eine neue SLA-Drucktechnik beschreiben, die echten Multimaterialdruck ermöglicht.

SLA ist eine Form des 3D-Drucks, die auf dem Prinzip der Bottich-Photopolymerisation basiert, bei der eine Lichtquelle (ein Laser im Fall von SLA) selektiv auf einen Bottich mit flüssigem Harz projiziert wird, um das Photopolymer zu einem gehärteten Kunststoff auszuhärten . Das in SLA-Druckern verwendete Harz ist ein spezielles lichtreaktives Duroplastmaterial, das mit bestimmten Lichtwellenlängen reagiert, um die Flüssigkeit zu starren Geometrien zu verfestigen. Bei SLA härtet ein stationärer Laser das Harz kontinuierlich in X- und Y-Richtung aus, während eine Bauplattform das gedruckte Teil aus dem Becken hebt und so auch die Kontrolle über die Z-Dimension ermöglicht.

SLA-Drucker verwenden Laser, um Harz selektiv auszuhärten. Bild mit freundlicher Genehmigung von UNSW Sydney.

Einer der großen Vorteile von SLA-Druckern besteht darin, dass sie eine extrem hohe Auflösung bieten. Aufgrund der Präzision des Lasers sind SLA-Drucker in der Lage, Ausdrucke mit sehr feinen Schichtlinien mit einer Höhe von 25 bis 100 Mikrometern zu erstellen. Das Ergebnis sind Drucke mit glatten Oberflächen und hervorragenden ästhetischen Qualitäten.

Trotz der Vorteile des SLA-Drucks besteht ein bemerkenswerter Nachteil der Technologie darin, dass sie den Multimaterialdruck nicht unterstützen kann. Bei einem FDM-Drucker ist der Materialwechsel während des Drucks relativ einfach, da der Benutzer lediglich einen Filamenttyp gegen einen anderen austauschen oder sich auf eine Maschine mit mehreren Extrudern verlassen muss. In einigen Fällen gibt es sogar intelligente Materialstationen, die den Filamentwechsel automatisch für den Benutzer übernehmen.

Bei SLA-Drucken ist der Prozess jedoch deutlich umständlicher. Ein Standard-SLA-Drucker besteht aus einem Harztank, was bedeutet, dass Benutzer das Harz im Tank während des Druckens wechseln müssten, um den Druck mit mehreren Materialien zu versuchen. Dies ist jedoch in der Praxis nicht realisierbar, da die Viskosität des Harzes zu Kreuzkontaminationen führt und der Harzaustauschprozess zum Eindringen von Luftblasen in den Drucker führen würde.

Obwohl bereits Techniken für den Multimaterial-SLA-Druck vorgestellt wurden und einige sogar erhebliche Mittel erhalten haben, ist noch keine davon auf den Markt gekommen. Die neueste Entwicklung von Heriot-Watt ermöglicht eine echte Multimaterialfertigung mit SLA.

Wie in dem kürzlich veröffentlichten Artikel des Teams in Applied Materials Today beschrieben, dreht sich der Kern der neuen Entdeckung um die Verwendung speziell entwickelter Harze, die Nanopartikel enthalten, die den Prozess der optischen Aufwärtskonvertierung unterstützen. Bei der optischen Aufwärtskonvertierung handelt es sich um eine Eigenschaft, bei der die Reaktion eines Materials auf Licht nicht linear mit der Intensität des Lichts zusammenhängt. Im Kontext dieser Forschung bedeutet optische Aufwärtskonvertierung, dass das Licht des Lasers das Harz nur am Punkt des Laserfokus aushärtet.

Eine schematische Darstellung des Multimaterialprozesses. Bild mit freundlicher Genehmigung von Zhakeyev et al.

Durch die Verwendung von Harzmaterialien, die eine optische Aufwärtskonvertierung aufweisen, konnten die Forscher das Material tiefer im Harzbottich aushärten, als dies sonst möglich wäre. Während herkömmliche SLA-Drucker eine Tiefenbeschränkung von 0,1 mm haben, liegt die Tiefenbeschränkung bei der neuen Technik bei über 5,0 cm.

Dank dieser verbesserten Tiefenbegrenzung haben die Forscher einen Weg geebnet, in SLA mit mehreren Materialien zu drucken, indem sie ein Material in bestimmten Tiefen verfestigen und dann später ein zweites Material hinzufügen und dieses Material in einer anderen Tiefe verfestigen. Auf diese Weise ermöglicht die neue Forschung das Drucken mehrerer Materialien in derselben Probe – was zu einem echten Multimaterial-SLA-Druck führt.

In der Vergangenheit wurden viele andere Multimaterial-SLA-Drucklösungen vorgeschlagen, aber noch nichts hat sich als kommerziell realisierbar erwiesen. Mit der neuen Forschung der Heriot-Watt University glaubt das Team, endlich eine Lösung für einen erschwinglichen und kommerziell realisierbaren Multimaterialdruck gefunden zu haben. Obwohl die Ergebnisse vielversprechend aussehen, wird sich erst mit der Zeit zeigen, ob dies die Lösung ist, auf die die Branche gewartet hat.

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