Hologramme steigern Effizienz und Auflösung des 3D-Drucks
Während herkömmliche 3D-Drucker Schichten von Material auftragen, wird bei der tomografischen volumetrischen additiven Fertigung (TVAM) ein rotierendes Harzgefäss mit Laserlicht bestrahlt, bis es dort aushärtet, wo die akkumulierte Energie eine bestimmte Schwelle überschreitet. Ein Vorteil von TVAM ist, dass Objekte in wenigen Sekunden hergestellt werden können, während der schichtbasierte 3D-Druck etwa 10 Minuten benötigt. Ein Nachteil ist jedoch, dass das Verfahren sehr ineffizient ist, da nur etwa 1 % des kodierten Lichts das Harz erreicht, um die gewünschte Form zu erzeugen.
Forscherinnen und Forscher des Laboratory of Applied Photonic Devices der EPFL unter der Leitung von Christophe Moser und des University of Southern Denmark Centre for Photonics Engineering unter der Leitung von Jesper Glückstad haben in Nature Communications über eine TVAM-Methode berichtet, die den Energieaufwand für die Herstellung von Objekten deutlich reduziert und gleichzeitig die Auflösung erhöht. Bei dieser Technik wird ein dreidimensionales Hologramm einer Form auf ein sich drehendes Harzfläschchen projiziert. Im Gegensatz zum herkömmlichen TVAM, bei dem die Informationen in der Amplitude (Höhe) der projizierten Lichtwellen kodiert werden, nutzt die holografische Methode deren Phase bzw. Position.
Diese kleine Änderung hat eine große Wirkung: «Alle Pixel tragen in allen Ebenen zum holografischen Bild bei, was uns eine höhere Lichteffizienz und eine bessere räumliche Auflösung des endgültigen 3D-Objekts ermöglicht, da die projizierten Muster in der Projektionstiefe kontrolliert werden können», fasst Moser zusammen.
In der kürzlich veröffentlichten Arbeit druckte das Team komplexe 3D-Objekte wie Miniaturboote, Kugeln, Zylinder und Kunstwerke in weniger als 60 Sekunden mit aussergewöhnlicher Genauigkeit und mit 25-mal weniger optischer Leistung als frühere Studien.
Nachahmung komplexer biologischer Strukturen
Die Hologramme werden mit einer Technik namens HoloTile erzeugt, die von Glückstad erfunden wurde. Bei HoloTile werden mehrere Hologramme eines gewünschten Projektionsmusters überlagert und zufällige Lichtinterferenzen, das sogenannte Speckle-Rauschen, eliminiert, das sonst zu körnigen Bildern führen würde. Obwohl bereits früher über holografische volumetrische additive Fertigung berichtet wurde, ist der Ansatz des gemeinsamen EPFL-SDU-Teams der erste, der zu derart realitätsgetreuen 3D-gedruckten Objekten führt, vor allem dank der Verwendung von HoloTile.
Die EPFL-Studentin und Hauptautorin Maria Isabel Alvarez-Castaño erklärt, dass ein weiterer einzigartiger Aspekt des holografischen Ansatzes darin besteht, dass sich die Hologrammstrahlen «selbstheilend» ausbreiten können, d. h. sie können sich durch ein Harz ausbreiten, ohne durch kleine Partikel aus der Bahn geworfen zu werden. Diese selbstheilende Eigenschaft ist für den 3D-Druck mit Bioharzen und Hydrogelen, die mit Zellen beladen sind, von entscheidender Bedeutung, so dass sich die Methode ideal für biomedizinische Anwendungen eignet.
«Wir sind daran interessiert, unseren Ansatz für den Aufbau komplexer 3D-Formen biologischer Strukturen zu nutzen, so dass wir z. B. lebensgroße Modelle von Geweben oder Organen drucken können», sagt Alvarez-Castaño.
In Zukunft will das Team die Effizienz seiner Methode noch um das Doppelte verbessern. Laut Moser ist es das ultimative Ziel, mit einigen rechnerischen Verbesserungen die holografische volumetrische additive Fertigung zur Herstellung von Objekten zu nutzen, indem einfach ein Hologramm auf ein Harz projiziert wird, ohne dass es gedreht werden muss. Dies könnte die volumetrische additive Fertigung weiter vereinfachen und das Potenzial für hochvolumige, energieeffiziente Fertigungsprozesse erhöhen. Er fügt hinzu, dass die Hologramme mit handelsüblichen Geräten kodiert werden können, was den Ansatz noch praktischer macht.
«Die holografische Ergänzung der TVAM-Technologie schafft die Voraussetzungen für die nächste Generation von effizienten, präzisen und schnellen volumetrischen additiven Fertigungssystemen», fasst er zusammen.
