Forscher der University of Michigan haben ein Stereolithographie-Verfahren vorgestellt, das flüssiges Harz in einem einzigen Durchgang aushärtet, statt es Schicht für Schicht aufzubauen. Mit zwei Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge wollen die Wissenschaftler Druckgeschwindigkeiten erreicht haben, die bis zu 100-mal über denen üblicher Stereolithographie-Geräte liegen. Das Team um den Chemietechniker Timothy Scott und den Ingenieur Mark Burns stellte die Arbeit am 11. Januar 2019 in Science Advances vor.
Bei klassischen Stereolithographie-Druckern härtet Licht das Harz am Boden der Wanne durch ein Fenster. Dabei klebt das ausgehärtete Material gern an diesem Fenster fest und blockiert den Druck. Bisherige Systeme umgehen das mit einem sauerstoffdurchlässigen Fenster, das eine hauchdünne flüssige Schicht zwischen Bauteil und Fenster hält. Diese Schicht ist so dünn, dass nur sehr niedrig viskose Harze schnell genug nachfließen, was das Verfahren auf kleine, schonend behandelte Produkte wie Dentalgeräte oder Schuhsohlen begrenzte.
Das Michigan-Team ersetzt den Sauerstoff durch Licht. Ein Photoinitiator härtet das Harz dort, wo blaues Licht einfällt, ein Photoinhibitor unterbindet die Reaktion an den Stellen, die von UV-Licht getroffen werden. Beide Lichtmuster lassen sich pixelweise steuern, wodurch die gehärtete Zone nicht mehr nur in einer Ebene, sondern im Raum begrenzt wird. Der resultierende Spalt zwischen Bauteil und Fenster ist einige Millimeter dick, damit fließt das Harz nach Angaben der Forscher tausende Male schneller nach. Die Forscher nennen in ihren Angaben Druckgeschwindigkeiten von rund 2 Metern pro Stunde und beschreiben Acrylate, Methacrylate und Vinylether als kompatible Harze.
Ohne Schichtgrenzen fallen die Schwachstellen weg
Der Verzicht auf Einzelschichten hat zwei Folgen. Zum einen entfallen die Trennstellen zwischen den Lagen, an denen gedruckte Objekte üblicherweise brechen, zum anderen erlaubt die dickere Flüssigkeitszone zähflüssigere Harze, die sich mit Füllstoffen verstärken lassen. Die Demonstrationsobjekte der Gruppe sind ein Gitter, ein Spielzeugboot und das Block-M des Universitätslogos. Burns bezeichnet das Verfahren deshalb als eines der ersten echten 3D-Druckverfahren, weil es ein Volumen statt einer Folge von Linien oder Querschnitten formt.
Kleinserien ohne Formwerkzeug
Relevant ist der Zugewinn an Geschwindigkeit nach Darstellung der Universität vor allem für Serien unterhalb von rund 10.000 identischen Stückzahlen. Solche Mengen ließen sich ohne ein Formwerkzeug fertigen, das schnell über 10.000 Dollar kostet. Für Entwickler von Gehäuse- und Zubehörteilen, für QA-Abteilungen, die Hüllmodelle und Montage-Lehren brauchen, und für Messe- und Präsentationsbauten der Games-Branche verkürzt ein kontinuierliches Verfahren die Schleife zwischen CAD-Datensatz und greifbarem Teil deutlich. Die fahrfähige Nachbildung des Warthog aus Halo, die ein Fan in Michigan unter anderem mit einem 3D-Drucker realisierte, zeigt, wie aufwendig solche Einzelstücke mit schichtbasierten Geräten bis dahin waren.
Die University of Michigan hat drei Patentanmeldungen zu dem Verfahren eingereicht, Scott bereitet daneben eine Ausgründung vor. Das Ankündigungsvideo der Universität zeigt den Versuchsaufbau beim Ziehen der Bauteile aus dem Harzbad.