Forscher der Carnegie Mellon University im US-amerikanischen Pittsburgh haben jetzt ein schnelles und reproduzierbares 3D Druck-Verfahren für den industriellen Miniatur 3D Druck entwickelt. Der 3D Druck von Eisstrukturen soll hierbei dazu dienen, Opferschablonen zu fertigen, und zwar mit dem Ziel, hieraus Leitungen oder andere offene Merkmale im Innern eines Miniatur-Modells freilegen zu können. Diesem Verfahren wird von Experten das Potenzial eingeräumt, die Welt des industriellen Miniatur 3D Drucks entscheidend zu verändern.
Stützstrukturen als Herausforderung
Der Anstoß für diese Innovation lag in der besonderen Herausforderung begründet, die im Miniatur 3D Druck mit der Fertigung von Stützstrukturen verbunden ist. So ist es in diesem Bereich inzwischen zwar ohne Weiteres möglich, eine Vielfalt an filigranen Details zu drucken, jedoch nicht ohne Stützstrukturen.
Den für diese Herausforderung vom Pittsburgher Team entwickelten Ansatz fasst Akash Garg, seines Zeichens Doktorand im Fachbereich Maschinenbau, folgendermaßen zusammen:
„Mit unserem 3D-Eisverfahren können wir mikroskalige Eisschablonen mit glatten Wänden und verzweigten Strukturen mit glatten Übergängen herstellen. Diese können anschließend zur Herstellung von mikroskaligen Teilen mit gut definierten inneren Hohlräumen verwendet werden.“
Neben Garg war auch Saigopalakrishna Yerneni, in seiner Funktion als Postdoktorand im Fachbereich Chemieingenieurwesen, an der Entwicklung dieses Verfahrens beteiligt. Die verantwortliche Leitung lag bei Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc und Phil Campbell, 3 Professoren für Maschinenbau und Biomedizintechnik.
Perfekt geeignet: Wasser
Wasser, immerhin die am häufigsten auf der Erdoberfläche vorkommende Substanz, eignet sich aus der Sicht der US-Forscher nahezu perfekt für diese Aufgabe. Als das immerhin biokompatibelste Material überhaupt bietet Wasser zugleich einen schnellen Phasenübergang von flüssig zu fest.
Konkret finden Eisstrukturen in diesem Verfahren im Rahmen der Reverse-Molding-Technologie Verwendung. Diese Eisstrukturen werden dabei in flüssiges oder gelartiges Strukturmaterial getaucht und anschließend ausgehärtet. Mittels Verflüssigung oder Umwandlung in Wasserdampf wird das Wasser schließlich entfernt.
Mit Hilfe einer, auf -35 ◦C eingestellten kalten Tintenstrahldüse werden in diesem Verfahren Wassertropfen mit einem Durchmesser von 50 µm produziert. Die Bauplattform wird zugleich mit dem Tropfenausstoß synchronisiert, um zu ermöglichen, dass komplizierte Eisstrukturen gedruckt werden können.
Druckparameter richtig einstellen
Die Einstellung der Druckparameter stellte sich zunächst als eine besondere Herausforderung dar. Zahlreiche Studien waren daher nötig, um einerseits die Geschwindigkeit der Bewegungsphasen sowie andererseits die Tröpfchen-Frequenzen optimal bestimmen zu können.
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