Foto: Alain Herzog 2022 EPFL
Ein Team von EPFL-Ingenieuren hat ein 3D-Druckverfahren entwickelt, bei dem mithilfe von Licht in Sekundenschnelle Objekte aus undurchsichtigem Harz hergestellt werden. Seine Weiterentwicklung könnte vielversprechende Anwendungen in der biomedizinischen Industrie haben, beispielsweise bei der Herstellung künstlicher Arterien.
2017 entwickelten Ingenieure des Applied Photonics Laboratory (LAPD) der EPFL einen 3D-Drucker, mit dem sich Objekte im Handumdrehen herstellen lassen. Fünf Jahre später hat die Maschine ihre Maschine und ihr Druckverfahren verbessert und kann nun Objekte mit undurchsichtigem Harz erstellen, was vorher nicht möglich war.
Ein bisschen Yoda
Der 3D-Drucker der EPFL ist einer der schnellsten der Welt. Obwohl die meisten 3D-Drucker geschichtetes Material auftragen, verwendet der EPFL-Drucker einen volumetrischen Prozess, der als additive Fertigung bekannt ist.
“Wir gießen das Harz in eine Schüssel und drehen es um”, sagt Christophe Moser, ein LAPD-Professor. „Dann bestrahlen wir den Behälter in verschiedenen Winkeln, sodass das Harz erstarrt, wenn die im Harz gespeicherte Energie einen bestimmten Wert überschreitet. Es ist eine sehr genaue Methode, die Objekte mit der gleichen Auflösung wie bestehende 3D-Drucktechniken herstellen kann.
Die volumetrische Methode der Ingenieure kann auf Objekte mit fast jeder Form angewendet werden, und sie beschlossen, sie zu testen, indem sie einen kleinen Yoda bauten. Es dauerte nur 20 Sekunden, um die Figur zu erstellen, verglichen mit etwa 10 Minuten bei einem herkömmlichen additiven Herstellungsverfahren.
Ein bisschen Yoda. © 2022 EPFL
Verwenden Sie Licht, um Materialien zu verfestigen
Lichtstrahlen können das Harz durch Wechselwirkung mit einer im Kunststoff enthaltenen lichtempfindlichen Verbindung verfestigen.
„Unsere Methode funktioniert nur, wenn Licht in einer geraden Linie durch das Harz wandert, ohne abgelenkt zu werden“, sagt Antoine Boniface, Postdoktorand am LAPD. „In der Vergangenheit haben wir immer klares Harz verwendet, aber wir wollten sehen, ob wir undurchsichtige Harzobjekte drucken können, wie sie in der biomedizinischen Industrie verwendet werden.“
Die Herausforderung bei der Verwendung von undurchsichtigem Harz in volumetrischen Verfahren besteht darin, dass sich das Licht nicht gleichmäßig ausbreitet, was es schwierig macht, die zum Verfestigen des Harzes erforderliche Energiemenge zu akkumulieren.
„Mit dem undurchsichtigen Harz haben wir viel Auflösung auf dem gedruckten Objekt verloren“, sagt Jorge Madrid-Wolff, Doktorand am LAPD. „Also haben wir versucht, eine Lösung zu finden, die es uns ermöglicht, Objekte mit diesem Harz herzustellen, ohne die Vorteile unseres 3D-Druckers zu verlieren.“
Anpassung von Computerberechnungen
Die Lösung, die die Ingenieure fanden, war ziemlich einfach. Zunächst beobachteten sie mit einer Videokamera die Lichtbahn durch Kunststoff und entwickelten dann Computerberechnungen, um die Verzerrung der Lichtstrahlen zu kompensieren. Sie programmierten ihren Drucker, um diese Berechnungen durchzuführen und die Lichtstrahlen während des Druckvorgangs zu korrigieren. Dadurch wurde sichergestellt, dass an den gewünschten Stellen die zum Erstarren des Harzes benötigte Energiemenge erreicht wurde. Durch die Anpassung von Computerberechnungen konnten Ingenieure Objekte auf undurchsichtigem Harz mit fast der gleichen Präzision wie auf transparentem Harz drucken, ein Durchbruch.
Das LAPD-Verfahren kann für den 3D-Druck von biologischen Materialien wie künstlichen Arterien verwendet werden. In einem nächsten Schritt hoffen Ingenieure, mehrere Materialien gleichzeitig drucken zu können und die Auflösung ihres Druckers von einem Zehntel Millimeter auf einen Mikrometer zu erhöhen. Die Forschungsergebnisse der Ingenieure wurden in Advanced Science veröffentlicht.
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