Spanische Forscher der Universitat Rovira i Virgili in Tarragona bei Barcelona haben zur elektrostatischen Strahlablenkung für ultraschnellen 3D-Druck eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht. Für ihre Forschung verwendeten sie einen angepassten EHD-Drucker. Wir stellen die Forschungsergebnisse zu den optimierten Möglichkeiten für den 3D-Druck im Submikrometerbereich einmal genauer vor.

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Forscher aus Barcelona haben sich in ihrer Arbeit mit dem Titel „Ultrafast 3D printing with submicrometer features using electrostatic jet deflection“ darauf konzentriert, die Grenzen der Produktion und Leistung des elektrohydrodynamischen Druckens zu erweitern. Fertigungsanlagen, die die Herstellung von Submikrometer-Merkmalen ermöglichen, sind meist noch unerschwinglich und kompliziert. Auch das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL und die University of Hongkong hatten im vergangenen Herbst ein „ultraschnelles“ 3D-Druckverfahren für Nano-Objekte vorgestellt.

Düsenbasierter 3D-Druck

Mit dem düsenbasierten 3D-Druck gäbe es laut den Forschern eine erschwingliche und einfache Alternative. Damit lässt sich praktisch jede Substanz (Polymere, Keramiken, Metalle, Holz und Material, das mit Bioprinting und Tissue Engineering entstanden ist) herstellen.

„Eine solche unübertroffene Vielseitigkeit des Materials beruht auf der Verwendung von Metall- oder Polymerschmelzen oder Tinten auf Lösungsmittelbasis, die so formuliert werden können, dass sie jede Komponente in Form von Ionen, Molekülen, Nanopartikeln oder sogar lebenden Zellen enthalten“, so die Autoren.

Der elektrohydrodynamische Druck (EHD) erlaubt Anwendern ein hochauflösendes Ergebnis, gewährt einzigartige Vorteile und verhindert das Verstopfen der Düsen. Es können unterschiedliche Tinten und Viskositäten eingesetzt werden. Die für die Geschwindigkeit erforderlichen massiven Beschleunigungen zu erreichen, die bei der Herstellung unterschiedlich großer Geometrien benötigt werden, stellt jedoch noch ein Problem dar.

 Schema eines EHD-3D-Druckers mit Jet-Ablenkelektroden
Der elektrohydrodynamische Druck (EHD) erlaubt Anwendern ein hochauflösendes Ergebnis, gewährt einzigartige Vorteile und verhindert das Verstopfen der Düsen (Bild © Bild der auf Nature.com veröffentlichten Arbeit entnommen).

Arbeit mit angepasstem EHD-Drucker

Die Forscher suchten einen Weg, den Hochgeschwindigkeitsdruck freizusetzen, indem sie die Strahlbahn ablenken und kontinuierliche elektrifizierte Strahlen steuern. Diese beeinflussen das Drucksubstrat. Für die Forschung wurde ein EHD-Drucker angepasst, indem der Strahl mit zusätzlichen Elektroden zur Modifikation des elektrischen Feldes umgeben wurde.

Wurden Muster schneller als die Strahlgeschwindigkeit gedruckt, erwies sich die Faserlänge als unzureichend, als die Muster auf dem Substrat ankamen. Die Wissenschaftler suchten nach verbesserten Parametern, die mit einem anderen Kalibrierungsmuster besser zu erreichen waren. Eine Tinte mit der richtigen Leitfähigkeit und den richtigen viskoelastischen Eigenschaften vorliegen zu haben, half dabei, dass diese fließen und das Aufbrechen der Kapillare verhindert werden konnte.

verschiedene 3D-Drucke
Wurden Muster schneller als die Strahlgeschwindigkeit gedruckt, erwies sich die Faserlänge als unzureichend(Bild © Bild der auf Nature.com veröffentlichten Arbeit entnommen).

Fazit

Es entstanden 3D-Strukturen mit zunehmender Komplexität, einschließlich Überkreuzungen und Brücken, durch präzise elektrostatisch angetriebene Schicht-für-Schicht-Selbstorganisation mit Frequenzen von bis zu 2000 Schichten pro Sekunde. Die Forscher gehen davon aus, dass die Vorteile des EHD-Strahlablenkungsdrucks einen Schritt in Richtung eines ultraschnellen additiven Mikromanagements von 3D-Objekten mit praktisch jeder Zusammensetzung und angepassten Mikrostruktur und Funktionalität darstellen werden.

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