Forscher der Stanford University untersuchen in einer aktuellen Studie den Hochgeschwindigkeits-3D-Druck im Mikrometerbereich. Den Forschern zufolge könnte dies den Aufbau von Mikrostrukturen mit AM und das Gerätedesign in der Medizin oder der Energiespeicherung revolutionieren. Wir fassen die Arbeit der Forscher zusammen.

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Logo Stanford UniversityForscher der Stanford University haben eine Studie zur Mikrofabrikation mit 3D-Druck vorgestellt, die den Beteiligten zufolge den Aufbau von Mikrostrukturen mit AM und das Gerätedesign in der Medizin oder der Energiespeicherung revolutionieren könnte. Die Studie wurde im Fachjournal Science Advances veröffentlicht und trägt den Titel „Single-digit-micrometer-resolution continuous liquid interface production“. Im Oktober 2022 hatten Forscher der Stanford University bereits ein ultraschnelles iCLIP-3D-Druckverfahren vorgestellt.

„Micro-CLIP“-Auflösungstechnologie

In der Studie wird ein neuer Ansatz von Ingenieuren beschrieben, die mehrere Mikrofabrikationsprobleme in der additiven Fertigung angehen und 3D-Druck-Objekte mit Eigenschaften von nur 1,5 Mikrometern ermöglichen. Das ist ein Fünftel der Größe eines roten Blutkörperchens. Diese Mikrometer-Auflösungstechnologie trägt den Namen „Micro-CLIP“ und ermöglicht 50-mal kleinere Teilemerkmale als kommerzielle CLIP-3D-Drucker. Dabei wird die hohe Druckgeschwindigkeit der kommerziellen 3D-Drucker beibehalten, die mehr als 100-mal schneller ist als andere hochauflösende 3D-Druckverfahren, die für die Mikrofabrikation geeignet sind.

Mit einem maßgeschneiderten Projektionslinsensystem aus einer Tubuslinse und Mikroskopobjektiven erreichten sie eine Auflösung im einstelligen Mikrometerbereich. Sie nutzten aufgrund der extrem geringen Schärfentiefe von einigen zehn Mikrometern der hochvergrößernden Mikrosopobjektive einen fokussierten Algorithmus, der einen Inline-Strahlteiler und eine anpassbare Tubuslinse umfasste. So gelang es ihnen, das Projektionsmuster mit einer CCD-Kamera zu visualisieren.

CLIP-basiertes 3D-Drucker-Setup-Schema und Druckprozess mit einstelliger Mikrometerauflösung
Das CLIP-basierte 3D-Drucksystem mit einer Auflösung im einstelligen Mikrometerbereich wurde im Labor entwickelt und implementiert. Das System basiert auf einer Kombination aus der CLIP-Drucktechnologie und einem Verkleinerungsoptiksystem, um eine hohe Druckgeschwindigkeit, eine glatte Oberfläche und einen Druck mit hoher Auflösung zu erreichen (im Bild: Grafik zum CLIP-basierten 3D-Drucker-Setup-Schema und Druckprozess mit einstelliger Mikrometerauflösung)(Bild © Stanford University).

Fokusebene und Auflösung

Das Team verwendete einen kontrastbasierten Algorithmus und ein digital entworfenes Netzmuster, um die optimale Position der Fokusebene zu finden. Sie nannten den optimalen Schärfeort und bestätigten die Leistung mit tatsächlichen Druckergebnissen nach dem Scannen durch eine Tiefe von 400 μm und der Bewertung der durch den Fokus projizierten Bildstapel. Das kontrastbasierte Fokussiersystem löst die Herausforderung der Fokussierung auf die enge Schärfentiefe von hochvergrößernden Projektionsoptiken. So konnten sie die ideale Fokusebene mühelos neu justieren.

Mithilfe von Loch- und Linienmustern mit Abmessungen zwischen 4,5 und 135 μm konnten sie die Auflösungsleistung des CLIP-basierten 3D-Druckers mit einstelliger Mikrometerauflösung bewerten. Die kleinsten Merkmale, die wiederholt und erfolgreich gedruckt wurden, waren 18-μm-Löcher und 6-μm-Linien. Die Druckerauflösung und die Druckleistung hingen stark von der Harzformulierung, dem Designmuster, der optischen Auflösung, Druckstrategien und schließlich Reinigungsstrategien ab.

Kontrastbasierter Fokusalgorithmus zur Optimierung der Projektionsfokusebene
Forscher der University of Stanford untersuchen Hochgeschwindigkeits-3D-Druck im Mikrometerbereich (im Bild: Grafik zum kontrastbasierten Fokusalgorithmus zur Optimierung der Projektionsfokusebene)(Bild © Stanford University).

Simulationsmodell zum besseren Verständnis

Ein Simulationsmodell verbesserte das Verständnis des CLIP-Druckprozesses und Anweisungen zum Erstellen optimaler Druckstrategien für verschiedene Designs und Materialien. Es enthält eine optische Simulation der Projektionsoptik durch eine PSF, die mit einer Gaußschen Verteilung geschätzt wird, und eine schmiertheoretische Vorhersage des Impulstransports und des Strömungsfelds. Die Modellierung der Photopolymerisationskinetik hilft dabei, die Totzonendicke zu beurteilen. Die ausgehärtete Höhe und die Sauerstoffkonzentrationsgradienten gehören ebenfalls zum Simulationsmodell.

Die Forscher erhalten mit dem Modell Einblicke in die Verbesserung des Druckprozesses, wie die Verwendung einer schrittweisen Druckstrategie (z. B. Stopp-Bewegung-Belichtung), um einen effektiven Harzrückfluss zu ermöglichen. Außerdem können sie damit den erforderlichen Zwischenschichtmoment zum Entfernen der durch Harzkonvektion verursachten Artefakte beurteilen. Mit dem Modell werden außerdem die benötigten Parameter (Sauerstoffdiffusionskoeffizient und Lichtintensität) berechnet, um eine konstante Totzone für konstantes Drucken aufrechtzuerhalten. Das Team demonstrierte den 3D-Druck mit CLIP-basierten 3D-Druckern mit einer Auflösung im einstelligen Mikrometerbereich und die Fähigkeit, mit viskosem Elastomermaterial zu drucken.

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