Ingenieure aus Stanford entwickeln eine neue Art des 3D-Drucks

Volumetrisches Drucken ohne Stützstrukturen jenseits des Nanomaßstabs

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Forscher um Dan Congreve, Stanford, haben mithilfe der Umwandlung von Licht einer Wellenlänge in eine andere (Upconversion) eine neue Technik des volumetrischen Drucks entwickelt. Hierzu wird Harzmaterial mit Nanopartikeln beladen und mit einem fokussierten Laserpunkt bestrahlt, der das Material aushärtet. Da das an jeder beliebigen Stelle im Harzpool möglich ist, kann das Modell im Ganzen gedruckt werden.

Die Stereolithografie ist ein besonders erfolgreicher Ansatz beim 3D-Druck. Aufgrund der linearen Absorption von Licht muss die Photopolymerisation bei dieser Technik jedoch an der Oberfläche des Druckvolumens stattfinden, was die Auswahl der Kunststoffe und die Formenvielfalt grundsätzlich einschränkt. 

Mit Hilfe der Zwei-Photonen-Absorption gelang es bereits, dieses Grenzflächenparadigma zu umgehen und bemerkenswerte Strukturen im Nanomaßstab volumetrisch zu drucken. Die für diesen Prozess erforderliche Laserleistung begrenzt jedoch Druckgröße und -geschwindigkeit und verhindert einen über den Nanomaßstab hinausgehende Einsatz. 

Forscher um Dan Congreve, Assistenzprofessor für Elektrotechnik in Stanford und ehemaliger Rowland-Stipendiat am Rowland Institute der Harvard University, haben nun mithilfe der Upconversion (UC, Aufwärtskonversion) eine neue Technik des volumetrischen Drucks entwickelt. Die Co-Autoren der Studie sind Samuel N. Sanders (Harvard) und Tracy H. Schloemer, Postdoc in Stanford.

Congreves Labor ist auf die Umwandlung von Licht einer Wellenlänge in eine andere spezialisiert. Die Methode wird als Triplett-Fusion-Aufwärtskonversion bezeichnet. Damit ist es möglich, eine Kette von Energieübertragungen erzeugen, die zum Beispiel rote Photonen mit niedriger Energie in blaue Photonen mit hoher Energie umwandeln.

"Ich habe mich schon während meines Studiums für diese Upconversion-Technik interessiert", sagt Congreve. "Sie hat alle möglichen interessanten Anwendungen in der Solartechnik, in der Biotechnologie und jetzt auch im 3D-Druck. Unsere eigentliche Spezialität sind die Nanomaterialien selbst – wir entwickeln sie so, dass sie die richtige Lichtwellenlänge emittieren, dass sie effizient emittieren und dass sie in Harz dispergiert werden.“

Die Forscher bündelten einen Laserstrahl durch eine Linse und richteten ihn in ein gelatineartiges Harz, das bei Einwirkung von blauem Licht aushärtet. Damit das Harz nicht über die gesamte Länge des Strahls aushärtet, setzten sie zudem rotes Licht und Nanomaterialien ein, um nur im Brennpunkt des Lasers blaues Licht zu erzeugen. Hierfür wurden die erforderlichen Upconversion-Moleküle zu einzelnen Nanokapseln geformt, mit einer schützenden Siliziumdioxidhülle überzogen und anschließend im gesamten Harz verteilt. Indem sie dann den Laser um den Harzbehälter herum bewegten, konnten sie detaillierte, stützenfreie Drucke erstellen.

"Es war nicht einfach, herauszufinden, wie man die Nanokapseln robust machen kann – ein Harz für den 3D-Druck ist ziemlich hart", erklärt Tracy Schloemer, Postdoktorandin und Co-Autorin. "Und wenn diese Nanokapseln auseinanderfallen, kann man keine Aufwärtskonversion mehr durchführen. Der gesamte Inhalt läuft aus und es kommt nicht mehr zu den nötigen molekularen Kollisionen."

Die 3D-Objekte wurden mit weniger als 4 Milliwatt kontinuierlicher Wellenanregung in festem Harz gedruckt. Die Leistungsdichte ist damit um mehrere Größenordnungen niedriger als beim 3D-Druck mit Zwei-Photonen-Anregung. Dadurch entfallen die Stützstrukturen, die normalerweise für die Erstellung komplexer Designs mit herkömmlichen Druckverfahren erforderlich sind. 

Damit könnte der Druck immer komplizierterer Geometrien gelingen und gleichzeitig Zeit und Material gespart werden. "Die Fähigkeit, volumetrisch zu drucken, ermöglicht es, Objekte zu drucken, die zuvor sehr schwierig waren", so Congreve. "Das ist eine sehr aufregende Möglichkeit für den dreidimensionalen Druck der Zukunft."

Die Forscher arbeiten derzeit daran, ihre 3D-Drucktechnik zu verfeinern. Sie untersuchen unter anderem die Möglichkeit, mehrere Punkte gleichzeitig zu drucken, was den Prozess erheblich beschleunigen würde.

Der Artikel "Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing" wurde im April 2022 auf Nature.com veröffentlicht.

www.nature.com/articles/s41586-022-04485-8