Die Ingenieurin

Ein Team der Heriot-Watt University hat eine neue Methode des 3D-Drucks entwickelt, die Nahinfrarotlicht (NIR) nutzt, um komplexe Strukturen mit mehreren Materialien und Farben zu erzeugen.

Dies gelang der Gruppe unter der Leitung von Dr. Jose Marques-Hueso vom Institut für Sensoren, Signale und Systeme durch die Modifizierung der Stereolithographie, um die Integration mehrerer Materialien zu ermöglichen. Ein herkömmlicher 3D-Drucker würde normalerweise einen blauen oder UV-Laser auf ein flüssiges Harz anwenden, das dann selektiv in Schichten verfestigt wird, um ein Objekt aufzubauen. Ein Nachteil dieses Ansatzes waren jedoch die Einschränkungen beim Mischen von Materialien.

In einem vom EPSRC finanzierten Projekt mit dem Namen MUSCLE (MUltimaterial Stereolithography by Crosslinking through Lumineszenz Excitation) haben die Wissenschaftler eine NIR-Lichtquelle verwendet, die in der Lage ist, weitaus größere Tiefen in den Harzbehälter zu drucken, ohne dass in Schichten gedruckt werden muss.

Laut Heriot-Watt bieten die Ergebnisse Chancen für die Industrie, insbesondere für solche, die auf Spezialteile angewiesen sind, beispielsweise im Gesundheits- und Elektrosektor.

In einer Erklärung sagte Dr. Marques-Hueso: „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 Tiefe aufweist.“ Grenze von etwa 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.“

MEHR AUS DER ADDITIVEN FERTIGUNG UND DEM PROTOTYPING

Dr. Adilet Zhakeyev, ein Doktorand an der Heriot-Watt-Universität, der fast drei Jahre an dem Projekt gearbeitet hat, fügte hinzu: „Die FDM-Technologie (Fused Deposition Modeling) 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.“

Den Wissenschaftlern zufolge war ein wichtiger Bestandteil ihres Projekts die Entwicklung technischer Harze, die Nanopartikel enthalten, die eine optische Aufwärtskonvertierung zeigen. 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. Die Technik soll zahlreiche neue Möglichkeiten des Druckens bieten, darunter das 3D-Drucken von Objekten in Hohlräumen, die Wiederherstellung zerbrochener Objekte und das In-situ-Bioprinting durch die Haut.

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

Dr. Marques-Hueso fuhr fort: „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 belaufen sich auf mehrere zehntausend Pfund, aber das ist bei uns nicht der Fall, weil unsere Spezialmaterialien den Einsatz kostengünstiger Laser ermöglichen. Nachdem wir nun Ergebnisse haben, die unsere Behauptungen untermauern, hoffen wir, mit Unternehmen zusammenzuarbeiten und diese Technologie weiterzuentwickeln.“

Die Ergebnisse des Teams werden in Applied Materials Today detailliert beschrieben.