Statt wie bisher 3D-gedruckte Objekte Schicht für Schicht herzustellen, haben Forscher der Stanford University ein Verfahren entwickelt, wie sie 3D-Objekte in einem stationären Harzvolumen drucken, ohne dabei Stützstrukturen verwenden zu müssen. Für ihre Methode namens „Triplet Fusion Upconversion“ setzten die Forscher auf die Arbeit mit blauem Licht. Wie das funktioniert, erklären wir in unserem Artikel.

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Logo Stanford UniversityForscher der Stanford University haben laut einer Pressemitteilung ein 3D-Druckverfahren entwickelt, mit der sie in der Lage sind, 3D-Objekte in einem stationären Harzvolumen zu drucken. Mit der Arbeit von Dan Congreve, Assistenzprofessor für Elektrotechnik in Stanford, und seinen Kollegen wird das gedruckte Objekt vollständig von dem dicken Harz getragen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Stützstrukturen, die sonst bei komplexen Designs erforderlich sind.

Ihr 3D-Druck-System haben die Forscher im Magazin Nature im Artikel „Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing“ vorgestellt. Damit können sie einfacher immer kompliziertere Designs drucken und Zeit und Material sparen.

Congreve sagte:

„Die Fähigkeit, diesen volumetrischen Druck durchzuführen, ermöglicht es, Objekte zu drucken, die zuvor sehr schwierig waren. Das ist eine sehr aufregende Gelegenheit für den dreidimensionalen Druck in der Zukunft.“

Ende 2020 brachte das Berliner Unternehmen xolo bringt mit „xube“ seinen ersten kommerziellen volumetrischen 3D-Drucker auf den Markt.

3D-Druck mit Licht

Zwei 3D-Druck-Methoden und Ergebnisse
Hier werden zwei Arten des Druckens gezeigt: Scannen und Verfolgen eines Bildes mit einem Hochleistungslaser (links) und gleichzeitiges Projizieren eines Bildes mit einer LED mit niedriger Leistung (rechts)(Bild © Dan Congreve/Tracy H. Schloemer/Arynn O. Gallegos).

Für den 3D-Druck wird ein Laser durch eine Linse fokussiert und in ein gallertartiges Harz geleuchtet. Das Harz härtet aus, wenn es blauem Licht ausgesetzt wird. Doch die Forscher konnten nicht einfach einen blauen Laser verwenden, da sonst das Harz über die Länge des Strahls aushärten würde. Mit einem roten Licht und einigen Nanomaterialien, die im Harz verstreut waren, gelang es ihnen, blaues Licht nur am genauen Brennpunkt des Lasers zu erzeugen. So konnten sie detaillierte, trägerfreie Drucke erstellen.

Mit einer Triplet Fusion Upconversion wandelten sie eine Lichtwellenlänge in eine andere um. Sind die richtigen Moleküle in unmittelbarer Nähe zueinander, können die Forscher eine Reihe von Energieübertragungen erzeugen, mit der sie energiearme rote Photonen in energiereiche blaue umwandeln.

Congreve sagte:

„Ich habe mich bereits in der Graduiertenschule für diese Upconversion-Technik interessiert. Es hat alle möglichen interessanten Anwendungen in den Bereichen Solar, Bio und jetzt diesen 3D-Druck. Unsere eigentliche Spezialität sind die Nanomaterialien selbst – sie so zu konstruieren, dass sie Licht in der richtigen Wellenlänge emittieren, es effizient emittieren und in Harz dispergiert werden.“

Congreve und sein Team konnten die erforderlichen Upconversion-Moleküle in einzelne nanoskalige Tröpfchen formen und sie mit einer schützenden Silikahülle beschichten. Dann verteilten sie die entstandenen Nanokapseln, von denen jede 1000-mal kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares, im Harz.

Tracy Schloemer, Postdoktorandin am Labor von Congreve, sagte:

„Herauszufinden, wie man die Nanokapseln robust macht, war nicht trivial – ein Harz für den 3D-Druck ist tatsächlich ziemlich hart. Und wenn diese Nanokapseln anfangen auseinanderzufallen, geht Ihre Fähigkeit zur Aufwärtskonvertierung verloren. Ihr gesamter Inhalt spritzt heraus und Sie können nicht die molekularen Kollisionen bekommen, die Sie brauchen.“

Lichtumwandelnde Nanokapseln

Derzeit untersuchen die Forscher Wege, mehrere Punkte gleichzeitig zu drucken, was den Prozess deutlich beschleunigen würde. Außerdem arbeiten sie an Drucken mit höheren Auflösungen und kleineren Maßstäben. Congreve geht davon aus, dass die Upconverting-Nanokapseln auch die Effizienz von Solarmodulen verbessern, indem sie nicht nutzbares, energiearmes Licht in Wellenlängen umwandeln, die die Solarzellen sammeln können. Die Kapseln könnten zudem Forschern helfen, biologische Modelle genau zu untersuchen, die mit Licht getriggert werden.

Congreve sagte:

„Man könnte Gewebe mit Infrarotlicht durchdringen und dieses Infrarotlicht dann mit dieser Upconversion-Technik in hochenergetisches Licht umwandeln, um beispielsweise eine chemische Reaktion anzutreiben. Unsere Fähigkeit, Materialien im Nanomaßstab zu kontrollieren, gibt uns viele wirklich coole Möglichkeiten, herausfordernde Probleme zu lösen, die sonst schwer zu lösen sind.“

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