Umgedrehter 3D-Drucker 25.03.2015

Um etwas wirklich Neues in einer Technologie zu erfinden, die es seit Jahren gibt, muss man sie oft von der anderen Seite betrachten. Höchstwahrscheinlich müssen Sie dafür sogar alles auf den Kopf stellen oder auf links drehen. So verdrängten Verbrennungsmotoren externe Verbrennungsmotoren, obwohl Ingenieure des vorletzten Jahrhunderts die zukünftige Dominanz von Dampfmaschinen vorhersagten.

Jetzt sind Dampfmaschinen nur noch in den fantastischen Geschichten des Steampunk-Genres geblieben. Zwar haben Benzinmotoren bereits alle Chancen, nur auf den Seiten der Geschichte zu bleiben und elektrischen zu weichen. Es gibt viele solcher Beispiele, nehmen Sie die gleichen Computermäuse, die sich von Kugelmäusen mit Kabelschwanz zu Laser- und drahtlosen Mäusen entwickelt haben. Nun könnte sich eine solch radikale Transformation auf die 3D-Drucktechnologie auswirken, die seit Kurzem weit verbreitet ist.

Es gibt verschiedene XNUMXD-Drucktechnologien, deren Kern die schichtweise Erstellung eines Objekts mit der gewünschten Form ist. Eines der weit verbreiteten Verfahren ist die Laserstereolithographie. Wie funktioniert es? Das Produkt wird aus einem flüssigen Photopolymer hergestellt - einer speziellen Substanz, die unter Einwirkung eines UV-Lasers aushärtet. Der Laserstrahl umfährt die Kontur des Bauteils, die von ihm beleuchteten Bereiche werden fest, die unbelichteten Bereiche bleiben flüssig. Das entstehende Produkt wird Schicht für Schicht in ein Bad aus flüssigem Polymer getaucht. Am Ende des Prozesses wird das fertige Teil aus dem Bad genommen, das nicht umgesetzte Polymer entfernt und die Endbearbeitung durchgeführt. Die Technologie ist weit entwickelt und wird weltweit eingesetzt. Aber sie hat einen Nachteil - die Geschwindigkeit, die einige Millimeter pro Stunde nicht überschreitet. Schließlich will man das fertige Ergebnis immer so schnell wie möglich haben und nicht einen halben Tag oder länger warten, bis es dort endlich gedruckt wird.

Was ist so langsam am 3D-Druck? Es stellte sich heraus, dass die langsamste Phase des gesamten Prozesses die Aushärtung des Polymers ist. Und hier geht es nicht um den Laser oder das Polymer selbst, sondern um den Sauerstoff der Luft. Moleküle dieses Gases lösen sich in der oberen Schicht des flüssigen Polymers und verlangsamen dessen Aushärtung. Laserstrahlung erzeugt aktive Moleküle, die beginnen, die Moleküle des Polymermaterials aneinander zu binden, sodass es fest wird. Sauerstoff hingegen greift aktiv in diesen Prozess ein, wodurch das Polymer viel länger aushärtet als es könnte.

Natürlich können Sie einen 3D-Drucker in eine versiegelte Kammer stellen, die beispielsweise Stickstoff anstelle von Sauerstoff enthält, aber dies wird einen der Hauptvorteile des XNUMXD-Drucks vollständig ruinieren – die Benutzerfreundlichkeit. Doch Chemiker haben zusammen mit Ingenieuren einen Weg gefunden, die "schädliche" Aktivität von Sauerstoffmolekülen in einen für die Technik nützlichen Kanal zu lenken, und konnten die Druckgeschwindigkeit um das Hundertfache steigern. Dazu musste einfach alles auf den Kopf gestellt werden.

Wie kann verhindert werden, dass Sauerstoff aktive Polymermoleküle erreicht? Da die Option mit geschlossener Kammer ganz am Anfang verschwindet, bleibt eine andere: Was wäre, wenn nicht auf der Oberfläche eines Bades mit flüssigem Photopolymer gedruckt wird, sondern in einer Tiefe, in die kein einziges Sauerstoffmolekül von der Oberfläche gelangen kann? Stellen Sie zum Beispiel eine Badewanne mit transparentem Boden her und strahlen Sie mit einem Laser nicht von oben, sondern von unten. Dann wäre es möglich, das Teil zu drucken und es allmählich unter der Schicht aus flüssigem Polymer herauszuziehen. Die Option ist gut, bis auf eine Sache: Das Polymer beginnt direkt am Kontaktpunkt mit dem transparenten Boden auszuhärten, und das zu erstellende Teil haftet einfach am Bad. Darin liegt das gesamte Know-how der Erfindung. Dem Entwickler ist es gelungen, sicherzustellen, dass das hergestellte Teil nicht an der Oberfläche des Bades "brennt". Und half ihnen dabei seltsamerweise der gleiche "schlechte" Sauerstoff.

Der Boden des flüssigen Polymerbades wurde aus einem speziellen Teflon-Material hergestellt, das Sauerstoffmoleküle nahezu ungehindert durchdringen kann, aber gleichzeitig für ultraviolette Laserstrahlung transparent ist. Was geschieht? Sauerstoffmoleküle durchdringen eine solche Membran und lösen sich in der bodennahen Flüssigkeitsschicht auf. Ein Laserstrahl, der durch die Membran scheint, aktiviert die Photopolymermoleküle, und sie beginnen sich aneinander zu binden, aber eine dünne, mit Sauerstoff gesättigte Schicht verhindert, dass sie am Boden haften bleiben. Die Dicke einer solchen „Antihaftbeschichtung“ beträgt nur wenige zehn Mikrometer – etwa so viel wie ein menschliches Haar. Durch die Abstimmung der Durchlässigkeit der Membran, der Eigenschaften des Photopolymers und der Leistung des Lasers kann der gesamte 3D-Druckprozess bemerkenswert schnell durchgeführt werden.

Die Entwickler der Technologie haben in ihren Experimenten eine Geschwindigkeit von 500 Millimetern pro Stunde erreicht, was hundertmal schneller ist als die Druckgeschwindigkeit mit herkömmlicher Laser-Stereolithografie. Und das Druckprodukt taucht spektakulär aus einem mit flüssigem Polymer gefüllten Bad auf.