Sample Coupled Resonance Photorheology (SCRPR) Verfahren: Neues Verfahren ermöglicht präzise Messung der Polymerverarbeitung beim SLA-3D-Druck

 26. November 2018  Jan Zieler  

Ein SLA-3D-Drucker (Stereolithographie) erhielt durch das National Institutes of Standards and Technology (NIST) ein Upgrade für eine neue Technik namens Sample Coupled Resonance Photorheology (SCRPR). Mit dem Verfahren wird es möglich die Qualität der Polymerverarbeitung eines einzigen Voxels beim SLA-3D-Druck zu messen und die Präzision und Qualität der Stereolithographie noch weiter zu optimieren.

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SLA-3D-Drucker haben die Fähigkeit, Harze sehr schnell zu sehr detailreich gestalteten 3D-Objekten auszuhärten. Auch das Formel 1-Team Sauber hatte aus diesem Grund zuletzt fünf SLA-3D-Drucker erworben und setzt damit besonders bei der Produktion von Bauteilen auf dieses Verfahren der additive Fertigung.

Im Aushärtungsprozess können jedoch auf molekularer Ebene winzige Inkonsistenzen auf die physikalischen Eigenschaften des 3D-Drucks einen Einfluss haben, wodurch das Druckerzeugnis weniger dicht oder spröder wird. Einem Pressebericht von NIST zufolge misst die neue NIST-Technik den Ablauf der Polymerisation in 3D-Druckern, während des Lichthärtungsprozesses von Gelen und Harzen.

Beobachtung und Analyse eines einzelnen Voxels

Mit der Technik von NIST können während des Aushärtungsprozesses winzige Änderungen eines einzelnen Voxels (3D-Volumeneinheit) aus Harz beobachtet und analysiert werden. Die Technik von NIST ist eine Art lichtbasierte Atomic Force Microscopy (AFM) und wird als SCRPR (Sample Coupled Resonance Photorheology) bezeichnet. Die Technik misst, wo und wie sich die Materialeigenschaften in Echtzeit verändern. Dabei hat die Skala eine Zeitauflösung im Submillisekundenbereich, eine räumliche Auflösung im Submikrometerbereich und Größenordnungen kleiner als bei konventionellen Massenmessverfahren.

Die bei der Beobachtung der Polymerisation unterschiedlicher Substrate gewonnenen Daten liefert genaue Einblicke in die mögliche Verbesserung der Härtungszeit sowie die Optimierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Harzen. Um das Polymer (Harz) mit einer AFM-Sonde zu härten, wurde die Sonde so modifiziert, dass ein UV-Laser angewendet wird. Dabei werden zwei Werte beobachtet: Energiedissipation und Resonanzfrequenz. Auf die Wertänderungen können mathematische Modelle angewendet werden, um mechanische Eigenschaften zu bestimmen.

Bild zur Messung der Polymerverarbeitung
Die durch Beobachtung der Polymerisation unterschiedlicher Substrate gewonnenen Daten gibt genaue Einblicke in die mögliche Verbesserung der Härtungszeit (Bild © NIST).

Erhöhte Resonanzfrequenz deckt die Polymerisation auf

Um Wertänderungen sichtbar zu machen, wurde eine topografische Polymerisationskarte eines einzelnen Voxels erstellt, wobei die Polymerisation durch eine erhöhte Resonanzfrequenz bemerkt wird. Zudem wird an der Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Probeninteraktionen gearbeitet, um während der Polymerisation eine absolute Quantifizierung der Materialeigenschaften zu ermöglichen.

Die gewonnenen Daten sind nicht nur für die additive Fertigungsindustrie von Bedeutung, da NIST auch mit Unternehmen aus anderen Bereichen zusammenarbeiten möchte, um Materialeigenschaften zu untersuchen. Im Bereich der 3D-Drucktechnologie kommt es ständig zu neuen Entwicklungen, um die Polymere und 3D-Drucker präziser und schneller zu machen. So hat auch Nexa3D auf der CES 2018 einen Hochgeschwindigkeits-Industrie-SLA-3D-Drucker namens NXV vorgestellt. Alle Produktneuheiten und Arbeiten aus Forschung und Wirtschaft erfahren Sie wie gewohnt im Newsletter des 3D-grenzenlos Magazins (hier abonnieren).

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