Neue Methode: günstiges Hochpräzisions-3D-Drucken komplexer Strukturen mit Dual-Laser-Technologie

BerlinForscher der Purdue University haben eine innovative Methode entwickelt, um zwei Laser für den 3D-Druck zu verwenden, was die Kosten zur Herstellung detaillierter Strukturen senkt. Üblicherweise beruht die Zwei-Photonen-Polymerisation auf teuren Femtosekundenlasern, die Materialien präzise verfestigen, jedoch sehr kostspielig sind. Laut dem Forschungsleiter Xianfan Xu ist dies der Hauptgrund, warum diese Technologie in der Fertigung bislang selten zum Einsatz kommt.

Die neue Methode nutzt einen günstigeren Laser, der sichtbares Licht aussendet, kombiniert mit einem hochgeschwindigkeitsfähigen Laser für Infrarotlicht. Dadurch wird der Energiebedarf des teuren Hochgeschwindigkeitslasers um bis zu 50 % gesenkt. Das Ergebnis ist ein kosteneffizienterer 3D-Druckprozess, der in mehr Anwendungsbereichen genutzt werden kann.

Xu betonte, dass hochauflösendes 3D-Drucken vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet, wie zum Beispiel:

• Elektronische 3D-Geräte
• Mikro-Roboter für die Biomedizin
• 3D-Strukturen oder Gerüste für die Gewebetechnik

Ihr neuer 3D-Druckansatz lässt sich leicht in bestehende Femtosekundenlaser-3D-Drucksysteme integrieren.

Das Forschungsteam strebte danach, den Druckvorgang schneller und kostengünstiger zu machen. Dafür ersetzten sie den teuren Femtosekundenlaser in der ersten Phase durch einen preiswerteren Laser. Diese Phase reduziert die Anzahl der Blocker im Material, bevor der Druckprozess beginnt.

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Forscher haben eine neue Technik entwickelt, die zwei Lasertypen kombiniert: einen Nanosekundenlaser mit 532 nm und einen Femtosekundenlaser mit 800 nm. Sie mussten das richtige Gleichgewicht zwischen den Auswirkungen der beiden Laser auf das Material finden. Dafür erstellten sie ein neues mathematisches Modell, um die chemischen Prozesse zu verstehen. Dieses Modell ermöglichte es ihnen, zu berechnen, wie die Laser zusammenwirken, und identifizierte die zentralen Prozesse zur Reduktion der Leistung des Femtosekundenlasers, während dennoch gute Druckergebnisse erzielt werden.

Nach der Optimierung ihrer neuen Methode testeten die Forscher sie, um verschiedene 2D- und 3D-Designs zu erstellen. Sie stellten erfolgreich kleine Holzhaufenstrukturen von 25 x 25 x 10 Mikrometern, eine winzige Buckyball, eine chirale Struktur und einen Trefoilknoten her. Die Tests zeigten, dass die neue Methode die benötigte Laserleistung für 2D-Designs um bis zu 80 % und für 3D-Designs um bis zu 50 % reduzierte.

Diese neue Methode des Druckens könnte die Produktionsprozesse revolutionieren. Sie könnte die Entwicklung neuer Geräte in der Elektronik und im Gesundheitswesen unterstützen. Günstigere Druckkosten ermöglichen es mehr Menschen, hochwertigen 3D-Druck zu nutzen. Dies könnte die Innovationsgeschwindigkeit in vielen Bereichen erhöhen.

Diese Forschung könnte kleinen Unternehmen und unabhängigen Erfindern erheblich zugutekommen. Geringere Kosten könnten es ermöglichen, detaillierte 3D-Prototypen einfacher zu erstellen. Zudem könnte es mehr Schulen den Zugang zu fortschrittlicher 3D-Drucktechnologie ermöglichen, was praktisches Lernen und neue Ideen fördert.

Die Forscher haben das Ziel, 3D-Druck schneller und kostengünstiger zu machen. Gelingt dies, könnte die Technologie in vielen Branchen breiter verfügbar und genutzt werden. Dies wäre ein großer Fortschritt für den 3D-Druck und würde die Herstellung komplexer, hochwertiger Strukturen ermöglichen.