Verbesserung der 3D‑Druck‑Zugänglichkeit durch neue Zwei‑Laser‑Techniken zur Kostensenkung

Eine Gruppe innovativer Forscher hat einen Weg entdeckt, die Kosten für den 3D‑Druck zu senken und die Leistung durch ein neues Zwei‑Laser‑Druckverfahren zu verbessern. Das Team der Purdue University veröffentlichte eine detaillierte Studie ihrer Ergebnisse in der Fachzeitschrift Optics Express. Die Studie geht auf die Details einer fortschrittlichen dual‑farbigen Laser‑Additive‑Manufacturing‑Technik ein, die das aktuelle Zwei‑Photon‑Polymerisationsmodell verbessert. Hier finden Sie alles, was Sie wissen müssen.

Heutige additive Fertigungsverfahren

Um die Bedeutung dieser Studie vollständig zu verstehen, ist es sinnvoll, einen kurzen Blick auf die Entwicklung des additiven Fertigungsprozesses zu werfen. Das Konzept des 3D‑Drucks war eine spannende Reise, die manchmal an Science‑Fiction erinnert. Diese Geräte haben den Weg von Comic‑Büchern zu einer der beliebtesten und oft einzigen Möglichkeit, bestimmte Geräte zu erstellen, zurückgelegt.

Materialextrusion

Die ersten 3D‑Drucker nutzten ein Verfahren namens Materialextrusion. Eine beheizte Düse führte ein langes Spulenkabel aus thermoplastischem Filament durch. Das Filament wurde erwärmt, bis es formbar war, und dann schichtweise aufgetragen, um die gewünschte Form zu erzeugen. Dieser 3D‑Drucker‑Stil ist heute die günstigste und am weitesten verbreitete Option.

Pulverbett

Pulverbett‑3D‑Drucker werden zur Herstellung von Metall- und Keramikteilen eingesetzt. Dieses 3D‑Druckverfahren kombiniert ein beheiztes Bett mit einem Ink‑Jet‑Drucker, der ein Bindematerial sprüht. Dieses Material erzeugt das Bauteil Schicht für Schicht und ermöglicht komplexe 3D‑Designs. Aktuelle Entwicklungen dieses Ansatzes haben das Drucken mehrerer Materialien und sogar Elektronik ermöglicht.

Fused Deposition

Fused Deposition verwendet ein thermoplastisches Filament, das mittels Materialextrusion aufgetragen wird. Anschließend werden Laser eingesetzt, um die Form des Bauteils mit hoher Präzision zu formen und zu fixieren. Bemerkenswert ist, dass der Einsatz von Lasern im Bereich der additiven Fertigung üblich ist; die erste Verwendung von Stereolithografie (SLA) erfolgte 1984.

Zwei‑Photon‑Polymerisation (TPP)

Heute ist die Zwei‑Photon‑Polymerisation (TPP) das am häufigsten verwendete Verfahren für mikroskalige industrielle Drucke. Dieses Verfahren beruht auf zwei Femtosekunden‑Lasern, die speziell entwickelte Verbundstoffe formen, aushärten und verfestigen können. Es bietet hohe Genauigkeit und ist ein bewährtes Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen und anderen winzigen, detailreichen Bauteilen, die mit anderen Methoden unmöglich zu realisieren wären.

Probleme mit diesem Ansatz

Mehrere Probleme mit dem TPP‑Verfahren veranlassten die Forscher, nach Alternativen zu suchen. Erstens sind Femtosekunden‑Laser sehr teuer, empfindlich und erfordern hohe Präzision. Die kleinste Abweichung kann dazu führen, dass diese Geräte umfangreiche Wartung benötigen.

Forscher

Die Forscher, angeführt vom Purdue‑University‑Ingenieur Xianfan Xu, erkannten diese Ineffizienzen in der Anordnung und entwickelten einen neuen mehrschichtigen Ansatz, der die Kosten senken soll. Um diese Aufgabe zu bewältigen, musste das Team eine Vielzahl von Hindernissen überwinden, von Laserinterferenzen bis hin zur Abstimmung. So gelang es ihnen, die Widrigkeiten zu überwinden und einen völlig neuen Fertigungsprozess zu schaffen, der das Potenzial hat, den Markt zu revolutionieren.

Zwei‑Laser‑Studie

Die Studie „Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power“ untersucht den Einsatz eines weniger leistungsstarken Lasers, um einige der Aufgaben zu übernehmen, die zuvor zwei Femtosekunden‑Einheiten erforderten. Um dies zu erreichen, entwickelte das Team ein eigens gebautes Zwei‑Photon‑Lithografie‑Setup. Diese Anordnung beinhaltet einen sekundären Laserweg zur Druckebene, wodurch die Forscher wertvolle Echtzeitdaten über die Wirkung des Lasers sammeln können.

Schritt 1 – Vorbereitung des Materials

Der erste Schritt der Forscher bestand darin, das Material einem photochemischen Prozess zu unterziehen. Dieser Prozess reduziert die Hemmstoffe im Material, wodurch es für die beim Formen und Aushärten eingesetzten Laser besser formbar wird. Dadurch ermöglichte dieser zusätzliche Schritt den Forschern, den Einsatz von zwei Femtosekunden‑Lasern zu eliminieren.

Kostengünstiger Laser

Der neue Prozess ermöglichte es den Forschern, eine kostengünstigere Option für die ersten Laserinteraktionen zu nutzen. Das Team ersetzte eine Femtosekunden‑Einheit durch eine sichtbare Lichtoption, die in Zusammenarbeit mit dem Hochleistungslaser funktionierte. Dieser kostengünstige Laser wurde so abgestimmt, dass er den Femtosekunden‑Laser ergänzt, ohne Störungen zu verursachen.

Femtosekunden‑Laser

Der für den Test gewählte Femtosekunden‑Laser war ein 532 nm Nanosekunden‑(ns) gepulster Faserlaser von MPB Communications Inc. Das Gerät bietet hohe Einstellbarkeit, sodass das Team verschiedene Wiederholungsraten testen konnte. Schließlich einigte sich das Team auf eine Wiederholungsrate von 80 MHz bei einer Pulsbreite von 1,2 ns.

Zwei‑Laser‑Spiegel

Die Pulse wurden weiter über ein Nikon‑Objektiv mit NA = 1,49, 100‑fach Ölimmersion, konzentriert. Dieser Ansatz integrierte stark dispersive Ultrahochgeschwindigkeits‑Spiegel von Edmund Optics, um eine Vorkompensations‑Dispersion zu initiieren. Zusätzlich wurde ein Helium‑Neon‑(HeNe‑)Laser verwendet, um die Genauigkeit sicherzustellen. Konkret stellte dieser Strahl sicher, dass der Laserweg wiederholbar war.

Ein Balanceakt mit zwei Lasern

Die für die Erstellung dieses neuen Fertigungsprozesses erforderliche Präzision verlangte von den Ingenieuren die Entwicklung eines neuen mathematischen Modells. Dieses Modell ermöglichte die Abbildung von Photopolymerisationsreaktionen über verschiedene Zustände hinweg. Früher wurden separate Modelle verwendet, um den angeregten Zustand und die anschließende Polymerisationskinetik des Lasers zu berechnen.

Das aktualisierte Modell ermöglichte es den Forschern, die kombinierte Wirkung von Zwei‑Photon‑ und Einzel‑Photon‑Anregungsprozessen in Echtzeit genau zu messen. Diese Fähigkeit erlaubte dem Team, den minimalen Energieverbrauch des Femtosekunden‑Lasers zu bestimmen, der seine Aufgaben ohne Leistungsverlust erfüllen kann.

Zwei‑Laser‑Tests

Die Forscher begannen anschließend, ihre Erfindung an mehreren Designs zu testen. Diese verschiedenen 2D‑ und 3D‑Strukturen wurden aufgrund ihrer Komplexität und Größe ausgewählt. Das Team wollte sicherstellen, dass ihr Gerät im Mikrometer‑Maßstab hergestellt werden kann. Daher waren die ersten gedruckten Objekte detaillierte Holzstapel mit den Maßen 25 × 25 × 10 µm.

Quelle – Optica

Das Team hörte nicht bei den Holzstapeln auf. Sie druckten außerdem einen mikroskopischen Buckyball, eine chirale Struktur und einen Kleebindeknoten. Diese Formen wurden gewählt, weil sie dem Team ermöglichten, mehrere Aspekte ihrer Forschung zu demonstrieren. Hier zeigen die Testergebnisse, was ihre Bemühungen ergeben haben.

Ergebnisse

Die Testergebnisse zeigten eine erhebliche Verbesserung des Geräts. Das Gerät konnte alle Einheiten mit 50 % weniger Leistung drucken. Die Leistungsreduktion wurde auf mehrere Arten erreicht. Zunächst reduzierten die Forscher die Femtosekunden‑Laser von einem 800‑nm‑Gerät auf einen 530‑nm‑Laser. Diese Änderung steigerte die Effizienz, ohne die Leistung mit der neuen Methode zu beeinträchtigen.

Zusätzlich konnte der neue Prozess ähnliche Ergebnisse wie der Industriestandard mit weniger Material und Zeit erzielen. Insbesondere reduzierte die Einzel‑Photon‑Absorption eines sichtbaren Lichtlasers die Inhibitorenkonzentration, während vergleichbare Resultate erzielt wurden.

Einfache Integration

Einer der größten Vorteile dieser Studie ist, dass die neue Methode leicht in bestehende Verfahren integriert werden kann, um minimale Kosten zu verursachen. Dieser Ansatz würde helfen, Kosten zu senken, indem er den Herstellern die Anschaffung neuer Geräte erspart. Stattdessen können ihre bestehenden Systeme nachgerüstet werden, um die neue kostengünstige Methode zu nutzen.

Anwendungen von Zwei‑Laser‑Technologie

Für diese Technologie gibt es mehrere sofortige Anwendungsmöglichkeiten. Die additive Fertigung ist beliebter denn je, und jede Möglichkeit, Kosten zu senken und die Leistung zu verbessern, wird von der Branche unterstützt. Hier sind einige weitere Anwendungen dieser Technologie.

Mikroelektronik/Robotik

Der Miniaturmaßstab, in dem diese Geräte drucken können, macht sie ideal für den Einsatz in der Mikroelektronik und Robotik. Diese Einheiten sind notorisch schwer zu bauen und sind zu einem wesentlichen Bestandteil vieler Branchen geworden. Daher würde dieser neue Fertigungsprozess das Erstellen und Prototyping neuer Strukturen für diese Geräte erleichtern.

Biomedizin

Das Gesundheitswesen ist ein weiteres Feld, in dem diese Mikrostrukturen und Geräte eingesetzt werden. Kleine Gerüste und Strukturen werden nun zur Gewebe‑Engineering und anderen bio‑robotischen Geräten verwendet. Diese Einheiten helfen Menschen, schneller von Verletzungen zu genesen und eine verbesserte Lebensqualität zu genießen.

Unternehmen, die heute von dieser Forschung profitieren könnten

Viele verschiedene Unternehmen könnten in den kommenden Jahren von dieser Forschung profitieren. Von der Biomedizin bis hin zu militärischen und industriellen Anwendungen könnten Mikroaditive‑Fertigungssysteme durch die neue mehrfarbige Laser‑Druckmethode eine verbesserte Leistung erzielen. Hier sind einige Unternehmen, die diese Technologie sofort integrieren und Ergebnisse sehen könnten.

1. Medtronic

MDT Preisdiagramm

Das US‑basierte Unternehmen Medtronic ist ein weltweit führender Anbieter im Bereich medizinischer Geräte. Der Hersteller wurde 1949 als medizinische Reparaturwerkstatt gegründet. Heute besitzt das Unternehmen zahlreiche Patente im Bereich Medizintechnik und ist einer der bekanntesten Namen der Branche.

Medtronic war ein Pionier in der Herzschrittmacher‑Industrie und gehörte zu den ersten, die ein implantierbares Gerät patentierten. Seitdem ist das Unternehmen eine dominierende Kraft auf dem Markt und führt weiterhin neue Technologien ein, um das Leben der Patienten zu verbessern. Die Integration einer Zwei‑Farb‑Laser‑Druckmethode würde ihr Angebot erheblich verbessern, indem sie die Größe ihrer Geräte reduzieren könnte.

Medtronic ist einer der erfolgreichsten Hersteller medizinischer Geräte weltweit. Im Jahr 2024 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 32 Mrd. $. Heute machen seine kontinuierlichen Innovationen und seine Positionierung es zu einer idealen Ergänzung für jedes Portfolio.

2. Abbott Laboratories

ABT Preisdiagramm

Abbott Laboratories (ABT ) existiert seit 1888. Das Unternehmen wurde in Illinois gegründet und entwickelte sich schnell zu einem der bekanntesten Namen der Branche. Abbott Laboratories bietet eine Auswahl an Produkten, darunter pharmazeutische Medikamente, medizinische Geräte, Nahrungsergänzungsmittel und Ernährungspräparate.

Abbott Laboratories verfügt über Produkte, die mehrere Sektoren der Medizin abdecken. Insbesondere sind sie für ihre Angebote im Bereich Herz‑Kreislauf, Diagnostik, Diabetes und Neuromodulation bekannt. Darüber hinaus betreiben sie sehr beliebte Tochtergesellschaften wie Pedialyte und Similac, führende Hersteller von Babynahrung.

Die Aktienperformance von Abbott Laboratories hat sich weiterhin positiv entwickelt. Die Kombination des Unternehmens aus medizinischen Geräten und Ernährungsprodukten macht es zu einem soliden „Hold“ für jeden Anleger. Die Zukunft sieht für dieses Unternehmen vielversprechend aus, da es nun eine zentrale Rolle bei der Bereitstellung von Herz‑Gesundheitsgeräten weltweit spielt.

Zukunft

Nur wenige Branchen haben eine solch starke Innovation erlebt wie der Markt für additive Fertigung. Diese neueste Entwicklung wird die Nutzung dieser Geräte in Miniatur‑Robotik und elektronischen Geräten wie Wearables vorantreiben. In Zukunft werden Mikrowearables und implantierbare medizinische Geräte eine zentralere Rolle in der Branche einnehmen. Hier sind einige weitere aktuelle 3D‑Druck‑Fortschritte, die die Akzeptanz fördern könnten.

Weltraumdrucker

Es gab kürzlich Entwicklungen im Bereich des Weltraumdrucks. Diese Einheiten unterscheiden sich von ihren irdischen Gegenstücken dadurch, dass sie Schichten ohne die Hilfe der Schwerkraft drucken müssen. Diese Aufgabe ist nicht leicht zu bewältigen, da alle aktuellen Methoden einen Schicht‑Ansatz erfordern.

Forscher konnten diese Probleme mithilfe komplexer Mathematik und durch das Einkapseln des Geräts überwinden. Die Kapsel erfüllt mehrere Zwecke, darunter den Schutz der Astronauten vor tödlichen Dämpfen oder anderen Vorfällen, die die hochsensible Atmosphäre eines Raumfahrzeugs gefährden könnten.

KI‑Drucker

KI‑3D‑Drucker werden immer verbreiteter. Die Integration fortschrittlicher KI‑Algorithmen hat eine nachhaltige Wirkung auf nahezu jede Technologiebranche. In Zukunft wird es möglich sein, 3D‑Drucke einfach per Chat oder Sprache anzufordern.

KI bietet weiterhin einen vereinfachten Weg, technische Hürden zu überwinden. Daher wird sie von vielen als eine der wichtigsten Entwicklungen auf dem Markt angesehen. In Zukunft werden KI‑3D‑Druckstationen und andere Dienste alltäglich sein. Derzeit vereinfacht diese Technologie weiterhin Interaktionen und beseitigt technische Hindernisse für neue Nutzer.

Selbstreparierende Roboter

Ein weiteres Science‑Fiction‑Szenario, das Realität geworden ist, sind selbstreparierende Roboter. Es dauerte nicht lange, bis Forscher einen 3D‑Drucker entwickelten, der alle Teile drucken kann, die er zum Betrieb benötigt. Nun soll dasselbe Konzept auf die Robotik angewendet werden. Selbstheilende und reparierende Roboter werden der Gesellschaft in Zukunft helfen, indem sie schwierige Aufgaben und Jobs übernehmen, die der durchschnittliche Mensch nicht bewältigen könnte.

Zweifarbiger Laserdruck ist ein bedeutendes Upgrade

Die Arbeit, die diese Forscher geleistet haben, wird künftig einen nachhaltigen Einfluss auf die 3D‑Druck‑Industrie haben. Man kann erwarten, dass mehr Mikrorobotik‑ und Elektronikgeräte diese Methode nutzen, um Kosten zu senken und Ergebnisse zu verbessern. Damit hat dieses Team das Fundament für eine neue Ära der mikro‑additiven Fertigung gelegt.

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