Flüssig drucken in drei Dimensionen

Bereits seit einigen Jahren finden dreidimensionale Druckverfahren auch außerhalb spezialisierter Labore weltweit Verwendung. Doch während die Stereolithographie inzwischen hohe Präzision aufweist, hapert es üblicher­weise an der Druckgeschwindigkeit. Vor allem für die Serienfertigung sind solche 3D-Drucker noch zu langsam. Die Herstellung größerer Stücke kann mitunter Stunden oder Tage dauern. Ein neues Verfahren könnte nun jedoch Schwung in das Geschäft bringen. Im Gegensatz zu bisherigen 3D-Druckern beruht es nicht auf der schichtweisen Fertigung drei­dimensionaler Strukturen, sondern auf einem kontinuierlichen Prozess.

Joseph DeSimone von der University of North Carolina und seine Kollegen haben dazu bisherige stereolithographische Druckverfahren quasi auf den Kopf gestellt. Anstatt jede Schicht einzeln aufzubringen, anschließend auszuhärten und diesen Prozess schrittweise zu wieder­holen, ziehen sie ihr Modell kontinuierlich aus einer flüssigen Phase. Dabei bestrahlen sie es von unten mit UV-Licht und können so unterbrechungsfrei arbeiten. Die Forscher nennen ihr Verfahren deshalb „continuous liquid interface production“, kurz CLIP.

Die Aushärtung des flüssigen Harzes geschieht durch photochemische Prozesse, die sich präzise mit UV-Licht steuern lassen. Der Clou bei dem neuen Verfahren: Gezielte Einbringung von Sauerstoff in das Harz verhindert die Photopolymerisation in einer dünnen „toten Zone“. Hier reagieren freie Radikale mit den Sauerstoffatomen und stehen für die Aushärtung nicht mehr zur Verfügung. Direkt oberhalb der einige Dutzend Mikrometer hohen toten Zone, wo die Sauerstoffkonzentration weit genug abgesunken ist, beginnt der Polymerisationsprozess.

Die Geschwindigkeit des gesamten Druckvorgangs ist deutlich höher als bei bisherigen 3D-Druckern und liegt je nach Objekt bei Minuten anstelle von Stunden. Die genaue Geschwindigkeit hängt jedoch wie üblich von der gewünschten Auflösung des Objekts ab. Ein zehn Zentimeter hohes Modell des Eiffelturms etwa konnten die Forscher mit einer Geschwindigkeit von hundert Millimetern pro Stunde aus der Lösung ziehen und dabei Strukturen mit einer Genauigkeit bis weit unter einem Millimeter realisieren.

Weniger filigrane Strukturen konnten sie noch schneller fertigen: Ein Gyroid zogen sie mit bis zu fünfhundert Millimetern pro Stunde aus dem Harz. Ein fünf Zentimeter hohes Modell entstand so in nicht einmal zehn Minuten. Aber auch kleine Strukturen erlaubt CLIP: Mikropaddel mit einem Durchmesser von nur 50 Mikrometern ließen sich – mit reduzierter Geschwindigkeit – ebenso herstellen wie 25 Zentimeter große Modelle. Nach bisherigen Abschätzungen könnten mit CLIP Druckgeschwindigkeiten bis über tausend Millimeter pro Stunde zu schaffen sein. Dies ist aber nur bei reduzierter Auflösung möglich.

Die Geschwindigkeit des gesamten Prozesses hängt dabei von mehreren Parametern ab. Einerseits wird sie durch die Dicke der toten Zone bestimmt, die wiederum vom Sauerstoffeintrag, der Viskosität des Harzes und der Stärke der UV-Strahlung abhängt. Den Sauerstoff ließen die Forscher durch ein dünnes Fenster aus Teflon AF 2400 strömen. Dieses Material eignet sich hervorragend für diese Zwecke, denn es besitzt nicht nur eine exzellente Sauerstoff-Durchlässigkeit, sondern ist zudem UV-transparent und chemisch inert. Ersetzten die Forscher den Sauerstoff durch normale Luft, verringerten sich die Dicke der toten Zone und die Druckgeschwindigkeit. Reiner Stickstoff unterband den Prozess.

Ein wichtiger Faktor für die Druckgeschwindigkeit war auch die UV-Durch­lässigkeit des Harzes. Farbige Zusatzstoffe etwa absorbieren einen Teil des UV-Lichtes, ohne freie Radikale zu erzeugen. Bei konstantem Photonenfluss verlangsamt sich somit der Druckprozess. Farblose Harze mit passender charakteristischer optischer Absorption hingegen erlauben die höchsten Druckgeschwindigkeiten.

Mit diesem stereolithographischen Verfahren könnten vor allem neue industrielle Anwendungen möglich werden, für die bisherige 3D-Drucker noch zu langsam sind. Einige der beteiligten Forscher haben deshalb schon eine neue Firma gegründet, mit der sie das Produkt kommerziell weiterentwickeln und vermarkten wollen. Mit dem Verfahren ist es zwar nicht möglich, Metallteile zu fertigen, wie sie in vielen industriellen Anwendungen benötigt werden. Doch abgesehen von Polymeren können sich die Wissenschaftler auch vorstellen, CLIP für keramische Strukturen zu adaptieren oder damit eines Tages biologisches Gewebe herzustellen.

Dirk Eidemüller

RK