Eine neue 3D-Fertigungstechnik verwendet Hologramme, um Objekte in wenigen Sekunden zu erstellen. Diese Methode, entwickelt von Forschern der EPFL und der Universität Süddänemark, verspricht eine Revolution im Bereich des volumetrischen Drucks.
3D-Objekt, das aus einem Hologramm hergestellt wurde.
© LAPD EPFL
Die traditionelle volumetrische tomographische additive Fertigung (TVAM) verwendet Laserlicht, um das Harz in einem rotierenden Gefäß zu verfestigen. Diese Methode ist jedoch ineffizient, da nur 1 % des projizierten Lichts zur Bildung des Objekts beiträgt. Die Forscher haben daher einen effizienteren Ansatz entwickelt, der Hologramme verwendet, um die Auflösung zu verbessern und den Energiebedarf zu reduzieren.
Durch die Projektion eines dreidimensionalen Hologramms der gewünschten Form konnten die Forscher die Phase der Lichtwellen präzise steuern. Diese Innovation ermöglicht eine bessere Lichteffizienz und eine verbesserte räumliche Auflösung, wodurch die Erstellung von 3D-Objekten in weniger als 60 Sekunden möglich wird.
Die HoloTile-Technik, erfunden von Professor Glückstad, spielt eine Schlüsselrolle in diesem Fortschritt. Sie ermöglicht die Überlagerung mehrerer Hologramme, um das Speckle-Rauschen zu eliminieren und somit die Qualität der projizierten Bilder zu verbessern. Diese Methode eignet sich besonders für den Druck mit Bio-Harzen und Zell-beladenen Hydrogelen.
Maria Isabel Alvarez-Castaño, Studentin an der EPFL und Hauptautorin der Studie, betont die Bedeutung der selbstheilenden Eigenschaft der holographischen Strahlen. Diese Eigenschaft ist entscheidend für biomedizinische Anwendungen, da sie die Bio-Druck von maßstabsgetreuen Modellen von Geweben oder Organen ermöglicht.
Das Team strebt nun an, die Effizienz ihrer Methode zu verdoppeln. Mit computergestützten Verbesserungen besteht das Ziel darin, Objekte durch einfache Projektion eines Hologramms auf ein Harz zu fertigen, ohne dass eine Rotation erforderlich ist. Diese Vereinfachung könnte den Weg für volumetrische Fertigungsprozesse mit hohem Durchsatz und geringem Energieverbrauch ebnen.
- Eine monomodale 405-nm-Laserdiode wird kollimiert und erweitert, um den aktiven Bereich eines DMD abzudecken.
- Eine Fourier-Linse rekonstruiert das Hologramm in ihrer Fourier-Ebene, die sich innerhalb des rotierenden Photoharzes befindet.
- Die holographischen Projektionen sind mit der Rotation des Gefäßes synchronisiert.
- Zwei Kameras überwachen die holographische Rekonstruktion und den Polymerisationsprozess.
- Benchy-Bootmodell (Copyright CC), erstellt mit Wolfram Mathematica® 13.1.
Professor Moser schließt, dass die holographische Ergänzung zur TVAM-Technologie den Weg für eine neue Generation von volumetrischen additiven Fertigungssystemen ebnet, die effizienter, präziser und schneller sind. Dieser Fortschritt ist ein wichtiger Schritt zur Realisierung komplexer Objekte mit beispielloser Präzision.
Was ist volumetrische tomographische additive Fertigung (TVAM)?
TVAM ist eine 3D-Drucktechnik, die sich durch ihren einzigartigen Ansatz von traditionellen Methoden unterscheidet. Anstatt Objekte Schicht für Schicht aufzubauen, verwendet sie Laserlicht, um das Harz in einem rotierenden Gefäß zu verfestigen. Diese Methode ermöglicht die Erstellung von Objekten in wenigen Sekunden und bietet eine schnelle Alternative zu klassischen 3D-Drucktechniken.
Die Energieeffizienz der traditionellen TVAM ist jedoch ein großes Problem, da nur ein kleiner Teil des projizierten Lichts zur Bildung des Objekts beiträgt. Die Forscher haben daher nach Wegen gesucht, diese Effizienz zu verbessern, was zur Verwendung holographischer Techniken für eine bessere Präzision und eine signifikante Reduzierung des Energiebedarfs geführt hat.
Die Schlüsselinnovation liegt in der Nutzung der Phase der Lichtwellen anstelle ihrer Amplitude, um die Verfestigung des Harzes präzise zu steuern. Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur eine bessere räumliche Auflösung, sondern auch eine effizientere Lichtnutzung und eröffnet neue Möglichkeiten für die schnelle Herstellung komplexer Objekte.
Wie funktioniert die HoloTile-Technik?
Die HoloTile-Technik, entwickelt von Professor Jesper Glückstad, ist eine innovative Methode zur Erzeugung von Hologrammen. Sie ermöglicht die Überlagerung mehrerer Hologramme eines gewünschten Projektionsmusters, wodurch das Speckle-Rauschen eliminiert wird, das sonst körnige Bilder erzeugen könnte.
Diese Technik ist besonders nützlich im Kontext der volumetrischen additiven Fertigung, wo die Qualität des projizierten Bildes entscheidend für die Präzision des gedruckten Objekts ist. Durch die Beseitigung des Speckle-Rauschens verbessert HoloTile die Wiedergabetreue der gedruckten 3D-Objekte und ermöglicht die Erstellung komplexer Formen mit beispielloser Präzision.
Ein weiterer Vorteil von HoloTile ist seine Fähigkeit, holographische Strahlen „selbstheilend“ zu machen. Dies bedeutet, dass die Strahlen das Harz durchdringen können, ohne durch kleine Partikel abgelenkt zu werden, eine Eigenschaft, die für den Druck mit Bio-Harzen und Zell-beladenen Hydrogelen entscheidend ist. Diese Eigenschaft eröffnet neue Perspektiven für biomedizinische Anwendungen, wie den Bio-Druck von maßstabsgetreuen Modellen von Geweben oder Organen.
Quelle: Nature Communications