Bauen war gestern, heute wird gedruckt: Maßgeschneiderte Implantate, futuristische Möbelstücke, selbst designte Häuser – sie alle sollen aus den 3-D-Druckern emporsteigen und von einer neuen industrielle Revolution künden. Nur kommt die eher geschlichen als gerannt: Um Objekte auch nur einige Zentimeter wachsen zu lassen, braucht es oft mehrere Stunden. Eine Forschergruppe um den Chemiker Joseph DeSimone von der North Carolina State University hat sich nun des Problems angenommen – und das Drucken deutlich beschleunigt. Statt nach Stunden reckten sich ihre Druckobjekte schon nach ein paar Minuten zentimeterweise in die Höhe. Ihr Verfahren sei damit 25- bis 100-mal schneller als vergleichbare Techniken, erklären die Wissenschaftler.

Zeitsparen mit Sauerstoff

Das traditionelle Verfahren der Stereolithografie, das flüssige Kunststoffe als Ausgangsmaterial nutzt, baut die zu druckenden Objekte Schicht für Schicht auf. Dazu wird der flüssige Kunststoff von unten her mit Licht bestrahlt, wodurch dieser aushärtet – ein als Fotopolymerisation bezeichneter Vorgang. Schichtweise wird das gehärtete Material dann nach oben gezogen, so dass sich immer nur eine einzige Schicht neu an der Oberfläche bildet. Schritt für Schritt läuft der Druck ab: Belichtung, Aushärten, Ziehen nach oben, Benetzung der Oberfläche, Belichtung … Im Verfahren von DeSimone und seinen Kollegen laufen diese Vorgänge zwar auch ab – aber so schnell, dass die Wissenschaftler anstatt von einem schrittweisen von einem kontinuierlichen Prozess sprechen: Gleichmäßig wird das gehärtete Objekt aus der Flüssigkeit gezogen, die nicht erst für jede Schicht neu nachgefüllt wird, sondern sich die ganze Zeit im Becken befindet. Die Oberfläche benetzt sich automatisch, die Bestrahlung läuft ganz ohne Unterbrechung ab. Das spart Zeit und sorgt für besonders glatte Oberflächen.

"CLIP" (continous liquid interface production) nennen die Forscher ihren Aufbau – und stecken damit in den Namen die Voraussetzung für ihren Prozess, nämlich das Erzeugen einer Grenzschicht. Gebildet wird diese im flüssigen Kunststoff durch Sauerstoff; ein Element, das beim Drucken eigentlich unbeliebt ist, da es die Fotopolymerisation stört. Doch für "CLIP" ist der Sauerstoff wichtig: Er diffundiert durch ein lichtdurchlässiges Fenster, das sich am Boden des Gefäßes befindet, in die Flüssigkeit hinein. Dadurch bildet sich zwischen dem bereits ausgehärteten Material und dem Boden ein hauchdünner Bereich, den die Wissenschaftler als die "tote Zone" bezeichnen. Hier findet auf Grund des hohen Sauerstoffgehalts keine Fotopolymerisation statt. Nur oberhalb dieser Zone – im Grenzschichtbereich ohne Sauerstoff – härtet der Kunststoff aus. Da die "tote Zone" das Material davor schützt, sich unkontrolliert bis zum Gefäßboden zu verfestigen, kann das Becken permanent mit Flüssigkeit gefüllt sein. Beim Hochziehen des bereits gehärteten Materials wird Flüssigkeit zur Grenzschicht "angesaugt" und heftet sich an die Oberfläche an. Zeit raubende Hilfsschritte wie die Benetzung des festen Teils sind deswegen bei "CLIP" unnötig.

Schnell oder präzise – beides beeinflusst sich

Je nachdem, wie schnell am Ende gedruckt werden soll, kann man die Geschwindigkeit und die Auflösung des Prozesses anpassen. Dabei gilt: Je rascher der Druck, umso weniger genau ist er. Bei relativ geringer Druckgeschwindigkeit von 2,5 Zentimetern pro Stunde können so Strukturen von bis zu fünfhundertstel Millimetern aufgelöst werden. Wie schnell man mit "CLIP" maximal drucken kann, gaben die Wissenschaftler nicht an – doch scheinen 50 Zentimeter pro Stunde bisher ihr bestes Ergebnis zu sein. Da ihr Verfahren auch kompatibel sei mit der Herstellung elastischer Kunststoffe, Keramiken bis hin zu biologischen Materialien, sehen die Forscher für "CLIP" sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie Anwendungsbereiche.

Die Stereolithografie ist das älteste 3-D-Druckverfahren. Mit ihm fertigt man in der Industrie Modelle und Prototypen, aber nutzt es auch in Druckern für Privatpersonen. Doch die Welt des 3-D-Drucks ist vielfältig geworden – so gibt es auch Verfahren, in denen das Ausgangsmaterial nicht flüssig, sondern als Pulver vorliegt oder erst aufgeschmolzen wird. Die Stereolithografie gilt aber immer noch als eine der präzisesten Techniken – je nach Ausführung sind Auflösungen kleiner als einhundertstel Millimeter möglich.