Replikator: spezielles 3D-Druckverfahren „materialisiert“ Objekte

Ein neuentwickeltes 3D-Druckverfahren „materialisiert“ ganze Objekte auf einmal, anstatt sie Schicht für Schicht zu aufzubauen. Der „Replikator“ arbeitet wie ein CT-Scan im Rückwärtsgang und besitzt einige Vorteile gegenüber dem schichtweisem 3D-Druck.

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Forscher in Kalifornien haben einen 3D-Druck-Verfahren entwickelt, die Computed Axial Lithography (CAL), mit der es möglich ist, ein ganzes Objekt auf einmal zu erstellen, anstatt sie Schicht für Schicht aufzubauen, wie es bei typischen 3D-Druckern der Fall ist.

Die Forscher gaben dem Verfahren – als Hommage an die Maschine aus der Star-Trek-Saga, die jedes unbelebte Objekt materialisieren kann – den Namen „Replikator“. Der 3D-Drucker projiziert Licht in ein Harz, welches sich unter bestimmten Bedingungen verfestigt. So lassen sich schnell Prototypen von relativ kleinen, transparenten Teilen herstellen.

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CT-Scan im Rückwärtsgang

Das Gerät, das in der Zeitschrift Science beschrieben wurde, funktioniert „wie ein CT-Scan im Rückwärtsgang“, erklärt Hayden Taylor, ein Elektroingenieur der University of California in Berkeley, der den „Replikator“ mitentwickelt hat.

In CT-Geräten dreht sich eine Röntgenröhre um den Patienten und macht mehrere Aufnahmen vom Inneren des Körpers. Anschließend rekonstruiert ein Computer anhand der Projektionen ein 3D-Bild.

Das Team hat diesen Prozess umgekehrt: Anhand eines Computermodells eines 3D-Objekts berechneten die Forscher, wie es aus vielen verschiedenen Blickwinkeln aussieht. Anschließend speisen sie die resultierenden 2D-Bilder in einen Projektor ein.

CAL erhärtet selektiv eine lichtempfindliche Flüssigkeit (Acrylat, einer Art Kunstharz) innerhalb eines enthaltenen Volumens. Dazu bringen die Forscher die Lichtenergie der zuvor berechneten zweidimensionalen Bildern in das Materialvolumen ein. Jede Bildprojektion breitet sich aus einem anderen Winkel durch das Material hindurch aus. Die Überlagerung der Expositionen aus den verschiedenen Winkeln führt zu einer dreidimensionalen Energiedosis, die ausreicht, um das Material in der gewünschten Geometrie zu verfestigen.

„Während sich das Volumen dreht, kann die von jedem Punkt empfangene Lichtmenge unabhängig voneinander gesteuert werden“, sagt Taylor. „Wenn die Gesamtmenge einen bestimmten Wert überschreitet, wird die Flüssigkeit fest.“

Eine Chemikalie im Harz absorbiert Photonen und ab einer bestimmten Schwelle wird das Acrylat polymerisiert – die Harzmoleküle verbinden sich zu Ketten und bilden einen festen Kunststoff. Die verbleibende Flüssigkeit wird anschließend entfernt und es bleibt das feste 3D-Objekt zurück. Das Team hat eine wenige Zentimeter hohe Version von Auguste Rodins Skulptur „Der Denker“ nachgebaut. Der Belichtungsprozess dafür dauerte etwa zwei Minuten.

Vorteile gegenüber schichtweisem 3D-Druck

Der Prozess besitzt gegenüber herkömmlichen 3D-Druck verschiedene Vorteile. Die resultierenden Strukturen weisen glattere Oberflächen auf, was ihn für die Herstellung optische Komponenten interessant macht. Auch Materialien mit hoher Viskosität können mit CAL verdruckt werden.

Darüber hinaus kommt der schnelle Fertigungsprozess ohne Stützstrukturen aus, und das sogar, wenn überhängende Teile oder Teile, die nicht miteinander verbunden sind, gedruckt werden. Zudem ist der Prozess für Materialien mit einem niedrigen Elastizitätsmodul, beispielsweise für Bioprinting-Anwendung, geeignet. Das Drucken dieser Materialien mit einem Schicht-für-Schicht-Verfahren wäre aufgrund der Kräfte, die auf unvollständige Strukturen während des Baus ausgeübt werden, schwierig.

Das Verfahren ist skalierbar und ermöglicht die Fertigung von Komponenten mit einem Durchmesser von circa 0,5 m mit einer Auflösung von bis zu 0,33 mm.

CAL ist zudem gut geeignet, um Materialien um eine komplexe, bereits bestehende 3D-Struktur herum zu drucken. Als Machbarkeitsnachweis haben die Forscher einen Polymergriff auf einem Metallschaft eines Schraubendrehers synthetisiert. Das Metallteil wird dazu beim Drucken in das Photopoylmer eingetaucht. Dieses Verfahren, von den Forschern „Überdrucken“ genannt, eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. Beispielsweise kann der Überdruck verwendet werden, um Elektronik zu verkapseln.

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