Ein Forschungsteam der Tsinghua University hat ein Verfahren vorgestellt, das komplexe millimetergroße Objekte in nur 0,6 Sekunden formt. Statt Material Schicht für Schicht aufzutragen, entsteht das gesamte Bauteil gleichzeitig im flüssigen Harz. Möglich wird das durch holografische Lichtfelder, die aus vielen Richtungen in einen unbewegten Behälter projiziert werden. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse gelten als bislang schnellster volumetrischer 3D-Druck und könnten die additive Fertigung im Mikromaßstab grundlegend verändern.
Der klassische 3D-Druck arbeitet meist seriell: Ein Bauteil entsteht Punkt für Punkt oder Lage für Lage, wobei jede Schicht belichtet, abgelöst und neu benetzt werden muss. Dieses Vorgehen ist präzise, kostet aber Zeit und erzeugt Grenzflächen zwischen den einzelnen Lagen, die zu Schwachstellen führen können. Beim volumetrischen 3D-Druck wird dagegen ein lichtempfindliches Harz, ein sogenanntes Photopolymer, gezielt mit Licht bestrahlt, sodass ein dreidimensionales Objekt in einem Zug im gesamten Materialvolumen aushärtet. Bisherige Ansätze wie die computergestützte axiale Lithografie drehen dazu den Harzbehälter um volle 360 Grad, während Lichtmuster hineinprojiziert werden. Genau diese mechanische Rotation begrenzt jedoch die Auflösung, weil sie Vibrationen und Strömungen im Harz erzeugt. Die additive Fertigung stand damit lange vor einem Zielkonflikt zwischen Geschwindigkeit und Präzision, den das neue Verfahren nun entschärfen soll.
Der neue Ansatz trägt den Namen Digital Incoherent Synthesis of Holographic Light Fields, kurz DISH. Er verzichtet vollständig auf die Drehung des Materials und lenkt stattdessen das Licht. Ein schnell rotierendes Periskop projiziert dabei holografisch optimierte Lichtmuster aus vielen unterschiedlichen Winkeln in ein statisches Harzvolumen. Weil das flüssige Harz während des Drucks unbewegt bleibt, entstehen keine störenden Scherkräfte, die feine Strukturen zerstören könnten. Vergleichbare Verfahren zur additiven Fertigung mit Licht mussten diesen Kompromiss bislang stets in Kauf nehmen. Das überlagerte dreidimensionale Lichtintensitätsmuster härtet das komplette Objekt nahezu gleichzeitig aus. Wie das Team der Tsinghua University in seiner Arbeit im Fachjournal Nature darlegt, lässt sich damit ein Bauteil im Millimetermaßstab in unter einer Sekunde erzeugen.
Das Herzstück des Systems ist das rotierende Periskop, das die Blickwinkelwechsel übernimmt, ohne dass der Harzbehälter selbst bewegt werden muss. Es lenkt die projizierten Laserbilder mit bis zu zehn Umdrehungen pro Sekunde in den Behälter. Ein digitales Mikrospiegelsystem, das mit bis zu 17.000 Hertz arbeitet, synchronisiert die binären Projektionsmuster präzise mit der jeweiligen Winkelposition. Anders als frühere volumetrische Systeme, die auf vereinfachten strahlenoptischen Näherungen beruhten, setzt das Team ein wellenoptisches Modell ein. Dieses berücksichtigt Beugung und Brechung des Lichts am Übergang von Luft zu Harz und hält die Schärfe auch über größere Tiefen. Das Verfahren erreicht eine gleichmäßige Auflösung von etwa 19 Mikrometern über eine Strecke von einem Zentimeter, die kleinsten unabhängigen Strukturen messen rund zwölf Mikrometer. Damit sind Details möglich, die dünner als ein menschliches Haar ausfallen. Die Druckrate erreicht bis zu 333 Kubikmillimeter pro Sekunde.
Um die Vielseitigkeit zu belegen, druckte die Gruppe verschiedene Testobjekte, darunter das unter Fachleuten als Referenz bekannte Benchy-Boot, ein Flugzeugmodell, spiralförmige Röhren und eine kleine Statuette. Getestet wurde eine ganze Palette acrylatbasierter Materialien und Hydrogele unterschiedlicher Viskosität, von dünnflüssig bis zäh. Auch eine verzweigte biologische Röhre gelang, was die Methode für biomedizinische Anwendungen interessant macht. An der Arbeit waren neben der Tsinghua University auch medizinische Forschungszentren der Zhejiang University beteiligt. Besonders bemerkenswert: Die hohe Auflösung bleibt auch dann erhalten, wenn das Harz stillsteht oder durch einen Fluidkanal fließt. Der Behälter muss dabei laut Team nur eine optisch plane Fläche besitzen. Genau dieser Punkt eröffnet Perspektiven für den kontinuierlichen Druck feiner Strukturen direkt in einem strömenden Medium, wie es bei Gewebemodellen oder mikrofluidischen Bauteilen gefragt ist.
Für die praktische Nutzung ist entscheidend, dass DISH mit Harzen unterschiedlicher Zähigkeit arbeiten kann, weil im ruhenden Material keine störenden Strömungen auftreten. Das erweitert den Spielraum bei der Materialauswahl deutlich, was für die industrielle Nutzbarkeit ein wichtiger Faktor ist. Wu Jiamin, korrespondierender Autor der Studie, nennt als zentralen Vorteil die schnelle und genaue Projektion der benötigten Lichtmuster, wodurch das zeitaufwendige punktweise Abtasten entfällt. Die additive Fertigung könnte damit einen Schritt in Richtung Serienproduktion feiner Bauteile machen. Einschränkungen bleiben dennoch: Das Verfahren ist derzeit auf vergleichsweise kleine Bauvolumina im Zentimeterbereich begrenzt, und die holografischen Lichtfelder erfordern eine erhebliche Rechenleistung, da sie in Echtzeit berechnet und exakt überlagert werden müssen. Zudem stellt die Optomechanik des synchronisierten, schnell rotierenden Systems hohe Anforderungen. Ob und wann daraus industrielle Systeme entstehen, ist offen, doch der Ansatz verschiebt die Diskussion von der Frage nach der schnellsten Schicht hin zur Frage, warum überhaupt noch in Schichten gedruckt wird.
Nature, Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields; doi:10.1038/s41586-026-10114-5