US-amerikanische Forscher von der University of Texas at Austin haben die Verwendung von Nahinfrarotlicht in lichtbasierten 3D-Drucktechnologien zugunsten von violettem und ultraviolettem (UV) Licht untersucht. Ihr Ziel war es, 3D-Druck von Biomaterialien und Verbundwerkstoffen mit lichtbasierten 3D-Druckern (DLP) möglich zu machen. Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Studie wichtige Erkenntnisse für lichtbasierte Photohärtungstechnologien der nächsten Generation liefert. Wir fassen die bisherigen Forschungsergebnisse einmal zusammen.

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Forscher an der University of Texas at Austin haben die Verwendung von Nahinfrarotlicht (NIR) in lichtbasierten 3D-Druck-Technologien zugunsten von violettem und ultraviolettem (UV) Licht untersucht. In ihrer Proof-of-Concept-Studie härteten sie mit Nanopartikeln infundierte Harze, um den 3D-Druck von Biomaterialien und Verbundwerkstoffen mit lichtbasierten 3D-Druckern zu realisieren. Dies war mit aktuellen lichtbasierten 3D-Druckern bislang schwierig zu lösen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in einer Arbeit mit dem Titel „‚Invisible‘ digital light processing with 3D printing with near infrared light“ in der Zeitschrift Applied Materials and Interfaces.

Details zur Studie

Strukturen, die mit NIR gedruckt wurden, hatten laut den Forschern im Vergleich zu UV-Licht eine verbesserte Merkmaltreue. Während ihrer Studie konzentrierten sich die Forscher auf den DLP-3D-Druck. In den meisten lichtbasierten 3D-Druck-Technologien wie DLP und LCD ist hochintensives, kurzwelliges UV-Licht heutzutage Standard. Werden die 3D-gedruckten Proben UV-Strahlen ausgesetzt, kann es zu einer durchdringenden Absorption, Streuung und Verschlechterung kommen. Das reduziert die Auswahl an Materialien, die mit diesen Prozessen kompatibel sind.

Mit zunehmender Wellenlänge des Lichts steigt außerdem die inhärente Herausforderung, die Geschwindigkeit und Auflösung der Photohärtung mit herkömmlichen UV-basierten Methoden anzupassen. Die Forscher versuchten ein Fotosystem zu demonstrieren, das NIR-lichtbasiertes 3D-Drucken mit geringer Intensität und langer Wellenlänge ermöglicht. Sie verwendeten NIR-Licht im Wellenlängenbereich von 400–780 nm, um mit Nanopartikeln angereicherte 3D-Druck-Harze mit deutlich reduzierten Streu- und Absorptionseffekten herzustellen.

Modelle und Ausdrucke mit benutzerdefinierten Harzen
Verschiedene 3D-Drucke, digitale Datei oben, experimenteller Druck unten, mit benutzerdefinierten Harzen (im Bild: Modelle und gedruckte Ergebnisse)(Bild © University of Texas at Austin).

Proof of Concept

Die Forscher kombinierten einen NIR-absorbierenden Cyaninfarbstoff mit elektronenreichen und elektronenarmen Redoxpaaren und erreichten eine katalytische schnelle Photohärtung. Sie optimierten die Harzzusammensetzung und die Druckparameter, um die Geschwindigkeit des Prozesses bei weniger als 60 Sekunden pro Schicht mit einer Merkmalsauflösung von weniger als 300 μm auszugleichen.

Mit Ruß als Deckmittel konnten sie kleine Merkmale erzielen, wie z.B. 100 μm seitliche Merkmale und 25 μm vertikale Merkmale bei Belichtungszeiten von weniger als 60 Sekunden pro Schicht. Durch spektroskopische und rheologische Überwachung vor Ort charakterisierten die Forscher die Polymerisationsgeschwindigkeit und die Zeit bis zur Verfestigung bei Bestrahlung mit NIR-Licht. Am Ende erzielten sie NIR-basierten DLP-3D-Verbund-Druck mit Nanopartikel-infundierten Harzen, um Strukturen mit verbesserter Merkmaltreue gegenüber den mit UV hergestellten zu liefern.

Quadratische Lochdrucke
Fotografien von quadratischen Lochdrucken, die mit 850 nm NIR-Licht mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Beladung mit Nanopartikeln hergestellt wurden (Bild © University of Texas at Austin).

Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Studie wichtige Erkenntnisse für lichtbasierten Photohärtungstechnologien der nächsten Generation liefert und einen wellenlängenselektiven Multimaterial-3D-Druck von Biomaterialien und Verbundwerkstoffen ermöglicht. Um eine Aushärtung bei 10 Sekunden pro 100-μm-Schicht zu erreichen müsste sich die Forschung auf die Identifizierung von durch NIR-Licht aktivierten Harzzusammensetzungen mit verlängerter Lagerstabilität und auf die Verbesserung des Photokatalysatordesigns konzentrieren.

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