Während herkömmliche 3D-Drucker durch das Aufbringen von Materialschichten funktionieren, wird bei der tomografischen volumetrischen additiven Fertigung (TVAM) Laserlicht auf eine sich drehende Harzflasche projiziert, bis das Harz an der Stelle aushärtet, an der die gespeicherte Energie einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Einer der Vorteile der TVAM ist, dass sie Objekte in Sekundenschnelle herstellen kann, während der schichtweise 3D-Druck etwa 10 Minuten dauert. Der Nachteil ist jedoch, dass sie sehr ineffizient ist, da nur etwa 1 % des codierten Lichts das Harz erreicht, um die gewünschte Form zu erzeugen.
Wissenschaftler des Labors für angewandte photonische Geräte der EPFL unter der Leitung von Christophe Moser und des Zentrums für Photonic Engineering der Universität Süddänemark unter der Leitung von Jesper Glückstad haben in Nature Communications eine TVAM-Methode vorgestellt, die die für die Herstellung von Objekten benötigte Energiemenge erheblich reduziert und gleichzeitig die Auflösung verbessert. Bei dieser Technik wird ein dreidimensionales Hologramm einer Form auf die sich drehende Harzflasche projiziert. Im Gegensatz zum herkömmlichen TVAM, das die Information in der Amplitude (Höhe) der projizierten Lichtwellen codiert, macht sich die holographische Methode deren Phase bzw. Position zunutze.
Diese kleine Änderung hat eine große Wirkung. "Alle Pixeleinträge tragen in allen Ebenen zum holographischen Bild bei, was uns eine bessere Lichtausbeute sowie eine höhere räumliche Auflösung im endgültigen 3D-Objekt beschert, da die projizierten Muster in der Projektionstiefe gesteuert werden können", fasst Christophe Moser zusammen.
Im Rahmen der kürzlich veröffentlichten Arbeit druckte das Team komplexe 3D-Objekte wie Miniaturboote, Kugeln, Zylinder und Kunstwerke in weniger als 60 Sekunden mit außergewöhnlicher Präzision, wobei 25-mal weniger optische Leistung als in früheren Studien benötigt wurde.
Kopieren Sie komplexe biologische Strukturen.
Die Hologramme werden mithilfe einer Technik namens HoloTile erzeugt, die von Jesper Glückstad erfunden wurde. HoloTile besteht aus der Überlagerung mehrerer Hologramme eines gewünschten Projektionsmusters und eliminiert zufällige Lichtinterferenzen, das sogenannte Speckle-Rauschen, das ansonsten zu körnigen Bildern führen würde. Obwohl über die volumetrische holographische additive Fertigung bereits berichtet wurde, ist der Ansatz des gemeinsamen EPFL-SDU-Teams der erste, der 3D-gedruckte Objekte mit einer solchen Detailtreue herstellt, was größtenteils auf die Verwendung von HoloTile zurückzuführen ist.Maria Isabel Alvarez-Castaño, Studentin an der EPFL und Hauptautorin, erklärt, dass eine weitere Besonderheit des holographischen Ansatzes darin besteht, dass die holographischen Strahlen "selbstreparierend" sein können, d. h. sie können sich durch ein Harz ausbreiten, ohne durch kleine Partikel gestört zu werden. Diese Eigenschaft der Selbstreparatur ist für den 3D-Druck mit Bioresinen und zellbeladenen Hydrogelen von entscheidender Bedeutung, was die Methode ideal für biomedizinische Anwendungen macht.
"Wir möchten unseren Ansatz nutzen, um komplexe 3D-Formen von biologischen Strukturen zu konstruieren, sodass wir z. B. lebensgroße Modelle von Geweben oder Organen biologisch drucken können", erklärt Maria Isabel Alvarez-Castaño.
In Zukunft will das Team die Effizienz seiner zweistufigen Methode noch weiter steigern. Christophe Moser erklärt, dass mit einigen Computerverbesserungen das Ziel darin besteht, die holographische volumetrische additive Fertigung zu nutzen, um Objekte herzustellen, indem einfach ein Hologramm auf ein Harz projiziert wird, ohne dass das Harz gedreht werden muss. Dies könnte die volumetrische additive Fertigung weiter vereinfachen und das Potenzial für großvolumige und energieeffiziente Fertigungsverfahren erhöhen. Er fügt hinzu, dass die Tatsache, dass Hologramme mit kommerzieller Standardhardware kodiert werden können, den praktischen Aspekt des Ansatzes verstärkt.
"Die holographische Ergänzung der TVAM-Technologie ebnet den Weg für die nächste Generation effizienter, präziser und schneller volumetrischer additiver Fertigungssysteme", schließt er.
