Auf dem Weg zum Replikator
Die Xolografie ist eine ganz neue Technik zum volumetrischen 3D-Druck, wie ein neuer Artikel in „Physik in unserer Zeit“ beschreibt.
„Tee, Earl Grey, heiß!“: In der Science-Fiction-Serie Star Trek produzieren Replikatoren, in Sekundenschnelle und scheinbar aus dem Nichts, Bauteile und Dinge des täglichen Bedarfs. Der Traum, diese Wundermaschinen zu realisieren, inspiriert Wissenschaft und Industrie seit Langem. Konventionelle 3D-Drucker waren der erste Schritt, doch nun ist eine neue Technologie für die schnelle Erzeugung von Objekten direkt im freien Volumen eines Ausgangsmaterials im Entstehen.
Additive Fertigung (AM, Additive Manufacturing), umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, bezieht sich auf Technologien, mit denen Objekte ausgehend von einem digitalen Modell durch sequenzielles Hinzufügen von Material hergestellt werden. Seit den Anfängen in den frühen 1980er-Jahren sind eine Vielzahl von Verfahren entwickelt worden zur Formgebung von Kunststoffen, Metallen, Keramiken, Wachsen, Beton und sogar lebenden Zellen.
Das Einsatzspektrum reicht von Schmuck- und Spielzeugfabrikation, Maschinenbau, Auto- und Flugzeugindustrie, Architektur, Nahrungsmittelerzeugung und Medizin bis zur Do-it-Yourself- oder „Maker“-Szene. Der nahezu unbegrenzten Flexibilität hinsichtlich des Designs steht die begrenzte Druckgeschwindigkeit gegenüber, deshalb ist additive Fertigung prädestiniert für die Herstellung kundenspezifischer Teile, begrenzter Mengen und Prototypen.
Im Gegensatz zu allen anderen Ansätzen basiert die neue Technologie der Xolografie auf kreuzenden (X) Lichtstrahlen zweier unterschiedlicher Wellenlängen, mit denen das gesamte (holo) Objekt im Volumen geschrieben (graphie) wird, daher der Name Xolografie. Um den Prozess zu realisieren, muss das Ausgangsmaterial für die beiden eingestrahlten Wellenlängen transparent sein. Weiterhin ist ein Zwei-Wellenlängen-Photoinitiator notwendig, der dem Material beigemischt wird. Durch Absorption der ersten Wellenlänge gerät der Photoinitiator vom inaktiven Ausgangszustand A in einen aktivierten Zwischenzustand B, der erst durch Absorption der zweiten Wellenlänge den reaktiven Zustand C bildet. In Abwesenheit der zweiten Wellenlänge kehren die Moleküle durch eine Rückreaktion – thermisch oder lichtgetrieben – von B nach A zurück. Der reaktive Zustand C kann unterschiedliche Aufgabenstellungen erfüllen. Der volumetrische Druck ermöglicht die Erzeugung von frei schwebenden Objekten ohne jegliche Stützstrukturen.
Die genaue Beschreibung der neuen Technik sowie eine kurze Beschreibung existierender 3D-Druck-Verfahren lesen sie in der neuen Ausgabe von „Physik in unserer Zeit“. Zusammenfassend lässt sich sagen: Konventionelle 3D-Druckverfahren erzeugen Objekte Schicht für Schicht. Sie sind weit entwickelt, benötigen jedoch lange Druckzeiten. Die Xolographie ist eine neue volumetrische Technologie, die unter Nutzung von photoschaltbaren Molekülen und einem Lichtschnitt-basierten Schreibprozess das Ausgangsmaterial im freien Volumen prozessiert. Angewendet auf den 3D-Druck macht das hohe Auflösungen, isotrope Materialeigenschaften und hohe Geschwindigkeiten möglich. Mit dem Einsatz mehrerer Lichtwellenlängen bietet der Ansatz in Zukunft noch vielfältige Entwicklungsmöglichkeiten.
M. Regehly & S. Hecht / DE
