Volumetrischer 3D-Druck: die nächste Generation der additiven Fertigung?
Es gibt viele Gründe, warum bereits einige Unternehmen auf die additive Fertigung setzen. Die Möglichkeit, Objekte in davor nicht konstruierbaren Designs herzustellen ist nur einer von vielen. Jedoch wird die Technologie noch von einem Hindernis begrenzt, und das ist die Schnelligkeit. Je nach Druckverfahren, Technologie und Komplexität des Druckobjektes kann die Herstellung Stunden, aber auch Tage dauern.
Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) arbeiteten gemeinsam mit Mitarbeitern der UC Berkley, der University of Rochester und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) an einer Lösung für dieses Problem. Die Basis ihrer Forschung war eben dieses Bedürfnis nach Geschwindigkeit innerhalb der additiven Fertigung.
Die Studie wurde am 8. Dezember in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht und beschreibt die Lösung der Forscher, komplexe 3D-Druckobjekte durch die Verwendung von lasergenerierten, Hologramm ähnlichen 3D-Bildern zu erstellen. Diese Herstellung mit lichtempfindlichen Harzen soll in nur einem Bruchteil der Zeit möglich sein, die der traditionelle Schicht-für-Schicht-Druck benötigt.
Das eigentliche Ziel der Studie war die Frage, ob man beliebige 3D-Formen auf einmal herstellen könne, anstatt sie Schicht für Schicht zusammenzusetzen. Die Antwort der Forscher ist einfach: Ja, wir können es. „Die Tatsache, dass Sie vollständige 3D-Druckobjekte in einem Schritt herstellen können überwindet wirklich ein wichtiges Problem in der additiven Fertigung“, so LLNL Forscher Maxim Shusteff, Hauptautor der Studie.
Volumetrischer 3D-Druck: Die Funktionsweise
Das Logo der LLNL, hergestellt mit dem volumetrischen 3D-Druck
Der volumetrische 3D-Druck funktioniert, indem drei Laserstrahlen durch Überlagerung ein Objekt erzeugen. Die Geometrie des Objektes wird aus diesen drei verschiedenen Richtungen definiert. Das Hologrammartige 3D-Objekt schwebt anschließend in der Wanne aus Harz.
Das Laserlicht weist an den Schnittstellen mit den anderen Lasern eine deutlich höhere Intensität auf, sodass sich das Harz hier schneller verhärtet. Um nicht die gesamte Wanne zu härten, ist das Timing der Herstellung sehr wichtig. Nach ungefähr zehn Sekunden werden die Lichter ausgeschaltet, sodass nur das gewünschte Objekt in dem Harz schwebt. „Wenn Sie das Licht zu lange an lassen, wird es überall beginnen, sich auszuhärten, es ist also ein Tiiming-Spiel“
Mit dem Verfahren druckten die Forscher bereits erfolgreich Balken, Flächen, Streben in beliebigen Winkeln, Gitter und komplexe und einzigartig gebogene Objekte. Die Herstellung war nicht nur deutlich schneller, sondern konnte im Gegensatz zu beispielsweise der FDM-Technologie jegliche Unterstützung bei Überhängen auslassen. Das Verfahren könne, so sind sich die Forscher sicher, durch eine Lichtquelle mit höherer Leistung noch schneller durchgeführt werden.
Doch die Technologie hat noch einige Einschränkungen. Da sich die Strahlen unverändert durch den Raum ausbreiten, gibt es noch Beschränkungen in der Bauteilauflösung und den Geometrien, die gebildet werden können. Extrem komplexe Strukturen würden viele sich überschneidende Laserstrahlen erfordern und die Wahrscheinlichkeit, dass sich auch ungewollt Laser kreuzen ist groß. Dies schränkt den Prozess vom volumetrischen 3D-Druck noch deutlich ein.
„Es ist eine Demonstration, was die nächste Generation der additiven Fertigung sein kann“, sagt LLNL-Ingenieur Chris Spadaccini und wäre eine gute additive Fertigungstechnik, die auch in der Schwerelosigkeit problemlos funktionieren sollte.
Erfahren Sie mehr über die Forschung der neuen Technologie im offiziellen Bericht der LLNL.
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