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Neue Technologie : 3D-Druck mit Tempo

Netzstruktur, die vom 3D-Drucker der Northwestern University hergestellt wurde. Bild: Northwestern University

Das schichtweise Drucken in drei Dimensionen ist ein vielversprechendes Verfahren. Forscher konnten nun für eine drastische Beschleunigung der Herstellungsmethode sorgen.

          2 Min.

          Zahnersatz, Prothesen, Hörgeräte, Karosserie-, Getriebe- und Brückenteile, aber auch ganze Autos und Häuser – kaum ein Objekt, das sich mit modernen additiven Verfahren, 3D-Druck genannt, nicht produzieren lässt. Da die Herstellung Schicht für Schicht erfolgt, können nahezu beliebig geformte Gegenstände in einem Guss hergestellt werden, was gegenüber traditionellen Fertigungstechniken wie Drehen, Sägen oder Fräsen neue Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet. Insbesondere für die Herstellung von Bauteilen mit einer komplexen Geometrie ist der 3D-Druck daher ein ideales Verfahren.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Trotz dieser Aussichten führt der 3D-Druck in der industriellen Serienfertigung noch immer ein Nischendasein. Denn die derzeit gebräuchlichen Drucktechniken sind überwiegend noch zu langsam und auf die Produktion kleinerer Bauteile beschränkt. So dauert die Herstellung eines mehrere Zentimeter großen dreidimensionalen Modells einige Stunden. Schlechte Voraussetzungen für die Fertigung größerer Stückzahlen. Das könnte sich dank eines schnelleren stereolithographischen Verfahrens ändern, das Forscher von der Northwestern University in Evanston (Illinois) in der Zeitschrift „Science“ vorstellen.

          Diese Gerüststruktur (Grundfläche 30 mal 30 Zentimeter) wächst pro Minute sieben Millimeter.

          Für die Fertigung eines gut einen halben Meter großen Gegenstands würde man nur knapp eine Stunde benötigen, schreiben die Wissenschaftler um Chad Mirkin. Man könne statt eines Einzelstücks in der gleichen Zeit aber auch mehrere kleinere Objekte parallel drucken. Der zu fertigende Gegenstand wird dabei kontinuierlich vertikal aus einem Bad von flüssigem Kunstharz gezogen. Ultraviolettes Licht, das von unten über eine Maske in die Wanne eingestrahlt wird, bewirkt, dass der lichtempfindliche Kunststoff an bestimmten Stellen aushärtet und sich so verfestigt. Auf diese Weise wächst etwa ein dreidimensionales Modell, dessen digitaler Bauplan ein Computer vorgibt, stetig mit einer Geschwindigkeit von rund sieben Millimetern pro Minute in die Höhe. Die gängigen lithographischen Druckverfahren sind deutlich langsamer, da das Objekt schichtweise entsteht.

          Das hohe Drucktempo erreichen die Forscher um Mirkin mit einem Trick: Am Boden der Wanne fließt ein Öl. Es sorgt zum einen dafür, dass das Bauteil nicht haften bleibt, was das Wachstum unterbinden würde. Das Öl verhindert auch, dass sich das Material und Teile des Druckers bei der Belichtung zu stark aufheizen. Bei vielen additiven Verfahren limitiert eine übermäßige Wärmeentwicklung während der Photopolymerisation das Drucktempo. Ein Werkstoff, der beim Aushärten zu heiß wird, kann sich verformen und ist später meist spröde und brüchig und daher unbrauchbar. Über einen Wärmetauscher, durch den das Öl zirkuliert, regulieren Mirkin und seine Kollegen die Temperatur in ihrem 3D-Drucker.

          Der Drucker erlaubt die Herstellung großer, zusammenhängender Strukturen genauso wie die mehrerer kleiner gleichzeitig.

          Die Wissenschaftler können mit ihrem Drucker, der den Umfang eines großen Schranks hat, nicht nur harte dreidimensionale Kunststoff-Bauteile unterschiedlicher Größe und Struktur produzieren. Je nach Zusammensetzung des Kunstharzes entstehen auch weiche Gegenstände, die so elastisch sind wie ein Schwamm. Es können aber auch harte und hitzebeständige Keramikwerkstücke hergestellt werden. Die Größe der Details der Gerüststrukturen kann je nach Druckbedingung zwischen dreihundert Mikrometern und drei Millimetern variieren.

          Mirkin und seine Kollegen wollen ihren Drucker schon in achtzehn Monaten auf den Markt bringen. In der Praxis wird sich dann zeigen, ob das Gerät auch tatsächlich hält, was die Forscher versprechen. Zumindest ein Manko ist schon jetzt klar: Die Wissenschaftler können mit ihrem stereolithographischen 3D-Verfahren derzeit keine metallenen Gegenstände herstellen.

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