Neue 3D-Drucktechnik bereit, ma voranzubringen

Jan 31, 2024

Heriot-Watt-Universität

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Bildnachweis: Heriot-Watt University

Wissenschaftler haben eine fortschrittliche Technik für den 3D-Druck entwickelt, die die Fertigungsindustrie revolutionieren wird.

Die Gruppe unter der Leitung von Dr. Jose Marques-Hueso vom Institute of Sensors, Signals & Systems der Heriot-Watt University in Edinburgh hat eine neue Methode des 3D-Drucks entwickelt, die Nahinfrarotlicht (NIR) nutzt, um komplexe Strukturen mit mehreren Elementen zu erstellen Materialien und Farben.

Dies erreichten sie durch die Modifizierung eines etablierten 3D-Druckverfahrens namens Stereolithographie, um die Grenzen der Multimaterialintegration zu erweitern. Ein herkömmlicher 3D-Drucker wendet normalerweise einen blauen oder UV-Laser auf ein flüssiges Harz an, das dann Schicht für Schicht selektiv verfestigt wird, um das gewünschte Objekt aufzubauen. Ein großer Nachteil dieses Ansatzes waren jedoch die Einschränkungen beim Mischen von Materialien.

Das Besondere an diesem neuesten Projekt ist, dass die Wissenschaftler eine NIR-Lichtquelle verwenden, die in weitaus größeren Tiefen in den Harzbehälter drucken kann, ohne dass in Schichten gedruckt werden muss.

Die Ergebnisse bergen enorme Chancen für die Industrie, insbesondere für solche, die auf Spezialteile angewiesen sind, beispielsweise im Gesundheits- und Elektrosektor.

Dr. Marques-Hueso erklärt: „Die Neuheit unserer neuen Methode, die noch nie zuvor durchgeführt wurde, besteht darin, die NIR-Unsichtbarkeitsfenster von Materialien zu nutzen, um in einer Tiefe von über 5 cm zu drucken, während die herkömmliche Technologie eine Tiefenbeschränkung von etwa 5 cm hat.“ 0,1 mm. Dies bedeutet, dass Sie mit einem Material drucken und später ein zweites Material hinzufügen können, wodurch es an jeder Position des 3D-Raums und nicht nur auf den Außenflächen verfestigt wird.

„Wir können zum Beispiel einen hohlen Würfel drucken, der größtenteils an allen Seiten versiegelt ist. Später können wir dann zurückkommen und in diesem Kasten ein Objekt aus einem ganz anderen Material drucken, weil der NIR-Laser das vorherige Material durchdringt.“ als wäre es unsichtbar, denn tatsächlich ist es im NIR völlig transparent.“

Dr. Adilet Zhakeyev, ein Doktorand an der Heriot-Watt-Universität, der fast drei Jahre an dem Projekt gearbeitet hat, fügt hinzu: „Die Fused Deposition Modeling (FDM)-Technologie war bereits in der Lage, Materialien zu vermischen, aber FDM hat eine niedrige Auflösung, wo die Schichten sind sichtbar, während lichtbasierte Technologien wie die Stereolithographie glatte Proben mit Auflösungen unter fünf Mikrometern liefern können.“

Die Wissenschaftler sagen, dass eine Schlüsselkomponente ihres Projekts die Entwicklung technischer Harze war, die Nanopartikel enthalten, die das Phänomen der optischen Aufwärtskonvertierung aufweisen. Diese Nanopartikel absorbieren die NIR-Photonen und wandeln sie in blaue Photonen um, die das Harz verfestigen. Dieser Vorgang ist „nichtlinear“, was bedeutet, dass die blauen Photonen hauptsächlich im Fokus des Lasers und nicht auf dem Weg durch ihn hindurch erhalten werden können. Aus diesem Grund kann das NIR tief in das Material eindringen, als ob es transparent wäre, und nur das darin enthaltene Material verfestigen.

Mit der neuen 3D-Druckmethode können mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in derselben Probe gedruckt werden, beispielsweise flexible Elastomere und starres Acryl, was für viele Unternehmen wie die Schuhproduktion nützlich ist. Die Technik eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten, darunter das 3D-Drucken von Objekten in Hohlräumen, die Wiederherstellung zerbrochener Objekte und sogar In-situ-Bioprinting durch die Haut.

„Im selben Forschungsprojekt hatten wir zuvor ein Harz entwickelt, das selektiv verkupfert werden kann“, fährt Dr. Marques-Hueso fort.

„Durch die Kombination beider Technologien können wir jetzt mit zwei verschiedenen Harzen 3D-Drucken und nur eines davon mithilfe eines einfachen Galvanisierungslösungsbads selektiv mit Kupfer überziehen. Auf diese Weise können wir integrierte Schaltkreise in 3D erstellen, was für die Elektronikindustrie sehr nützlich ist.“ ."

Obwohl diese Technologie einen spannenden Blick in die Zukunft bietet, sind die Kosten überraschend niedrig.

Dr. Marques-Hueso sagte: „Ein klarer Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die komplette Maschine für weniger als 400 £ gebaut werden kann. Einige andere fortschrittliche Technologien, die Laser verwenden, wie etwa die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP), erfordern teure ultraschnelle Laser.“ Die Kosten liegen in der Größenordnung von mehreren Zehntausend Pfund, aber das ist bei uns nicht der Fall, weil unsere Spezialmaterialien den Einsatz kostengünstiger Laser ermöglichen.“

Abschließend sagte er: „Da wir nun Ergebnisse haben, die unsere Behauptungen untermauern, hoffen wir, mit Unternehmen zusammenzuarbeiten und diese Technologie weiterzuentwickeln.“

Das Projekt mit dem Titel „Multimaterial Stereolithography by Crosslinking through Lumineszenz Excitation“ wurde vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) mit 280.000 £ gefördert. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Applied Materials Today veröffentlicht.

Angewandte Materialien heute

10.1016/j.apmt.2023.101854

Multimaterial-Stereolithographie durch Vernetzung durch Lumineszenzanregung

30. Mai 2023

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