Der Applikator wird (nur noch eine Frage der Zeit)
ausschließlich aus beliebigen schmelzbaren Materialen bestehende Objekte
komplett aus Computerdaten herstellen. Die Genauigkeit sollte 1 nm erreichen
können. Der Aufbau der Objekte erfolgt schichtweise. Die rasante Entwicklung bei
den 3D-Druckern legt nahe, das Applikator-Projekt an den Anfang zu setzen, weil
seine Realisierung am nächsten liegen dürfte.
1) Laser und Teilchen, LT-Variante
Der Aufbau von Schichten erfolgt dadurch, dass ein in Zeilen bewegter
Laserstrahl mit einem Fokus-Durchmesser hinab bis zu 1nm eine Materialfläche
anschmilzt. Eine Teilchenkanone beschießt die geschmolzene Oberfläche mit einem
ebenso zeilenweise (mit konstantem Delay gegenüber dem
Laserstrahl) bewegten gepulsten Strahl (geladener)
Kleinstteilchen aus dem
Material, das sich im aufzubauenden Objekt an der geschmolzenen Stelle befinden
soll. Die Kleistteilchen bleiben nur an den geschmolzenen Stellen kleben. Wenige
Teilchen, die auf Grund von Ungenauigkeit des Teilchenstrahls auf ungeschmolzene
Stellen auftreffen könnten, müssen vor dem nächsten Zeilenzyklus natürlich
entfernt werden (Druckluft, elektrostatisch oder magnetisch) und zwar zu dem
Bereich bereits abgearbeiteter Zeilen der aktuellen Schicht hin, der dann
bereits wieder vollständig verfestigt sein muss (es sei denn, die
Teilchen prallen ab und treffen die Oberfläche gar nicht mehr). Es wird
aber davon ausgegangen, dass der Teilchenstrahl die gleiche Treffgenauigkeit
(und Fokussierung) erreicht wie der Laser. Je nach zu
erzielender Schichtdicke können verschieden große Teilchen verwendet werden
(unter Anpassung der Laserenergie und -fokussierung) und die Schichtbearbeitung
kann temporär auf Gebiete mit kleineren Teilchen und höherer Genauigkeit
eingeengt werden (eingebettete Multischicht-Gebiete, z.B. aus
elektronischen Baugruppen bestehend). Im Falle elektronischer
Funktionsgebiete müsste zwischen Leiterplatte und Bauteilen wie Halbleitern,
ICs, Kondensatoren, Widerständen, Spulen usw. nicht mehr unterschieden werden -
alles nur eine Frage der Größenordnung und des Materials.
Wichtig bei der Herstellung exakter Schichten ist die ständige Vermessung der
Oberfäche in der Ebene und in der Höhe (Glätte)
. Für die Glätte können Nachschmelzprozeduren und punktweiser Nachbeschuss mit Teilchen
sorgen (Prozess: Beschichtung-Messung-Nachbearbeitung)
, so dass jede Schicht mit optimaler Genauigkeit abgeschlossen wird. Das Nacherhitzen
mit dem Laser ermöglicht auch ein lokales "Tempern" mehrerer Schichten
(zur Materialentspannung).
Eine wichtige Eigenschaft des Applikators ist die Selbstreproduzierbarkeit,
d.h. der Applikator kann eine exakte (und natürlich
funktionsfähige) Kopie von sich herstellen.
Ein sehr großer (oder zumindest weiträumig verfahrbarer) Applikator könnte mühelos und schnell ein komplettes
und stabiles Haus
(mitsamt der Inneneinrichtung) bauen - durch die TAGs gibt
es ja Energie genug. Auch die TAGs sollen natürlich vom Applikator komplett und
in einem Stück (ohne nachträglichen Assemblierungsprozess)
herzustellen sein.
Der Laser-Applikator lässt sich auch als "Desitegrator" benutzen
(vgl. Funkenerosion), indem Laserimpulse Kleinstteilchen aus der
Oberfläche sprengen (, die dann sortiert und wiederverwendet
werden können) und sie so abtragen. Für manche Laserprozesse empfiehlt sich Vakuum oder
Schutzatmosphäre (N2).
2) Tröpfchenverfahren
Wie beim Tintenstrahldrucker schießt eine Düsenmatrix winzige Tröpfchen
geschmolzenen Materials auf die oberste Schicht. Je größer die Düsenmatrix
(z.B. über die ganze Objektbreite), desto weniger
Kopfbewegung ist erforderlich, die Genauigkeit daher größer ; Glattschmelzen,
Messen und Nachbearbeitung wie gehabt. Auch die Materialübertragung durch
elektrische Entladungen wäre denkbar (viele feine Drahtelektroden, versetzte
Zündung zeitgleich in Gruppen). Düsen bzw. Drähte werden auf Abstand und in
versetzten Reihen angebracht, sodass genug Platz für die Zuführungseinrichtungen
ist. Ungenauere Versionen des Gerätes sollen genauere und haltbarere
Maschinenteile produzieren, die die alten ersetzen, und sich so selbst
verbessern. Die Maschine, die ihr eigenes metallisches Arbeitsmaterial (aus Schrott)
herstellt, wäre besonders interessant.
Gesucht wird momentan eine preiswerte
"Komplettlösung" bestehend aus einer Kombination von präzisem 3D-Scanner,
intelligent-ergonomischer Bearbeitungs- und Simulationssoftware, Drucksoftware
(Aufbereitung der Daten für den Drucker, G-Code), 3D-Drucker mit weitem Arbeitsbereich
100x75x175 cm (BxTxH) und 10µm Genauigkeit absolut
(übersteigt deutlich das, was momentan an 3D-Druckern angeboten wird, bzw. wäre
nicht erschwinglich),
Nachbearbeitung (Messen, Glätten, Schleifen usw.).
Preiswert wäre der Umbau eines Plotters, indem einfach der Boden entfernt und
die Arbeitsfläche versenkbar gemacht wird (Hubtisch). Der Plotterstift wird
durch einen Schmelzkopf ersetzt, der auf der Höhe der Arbeitsfläche
arbeitet, wobei das Werkstück durch den Hubtisch nach Fertigstellung einer
Schicht um eine (knappe) Schichtdicke abgesenkt wird. Der Schmelzkopf kann für
Plastik ausgelegt sein, aber auch (sehr feine) Schweißdrähte (wie beim
Schutzgasschweißen) führen und damit metallische Bahnen ziehen. Selbst eine
Kombination von Laser und (Keramik-)Pulverzuführung wäre denkbar. Durch
wechselbare Köpfe, wie beim Plotter üblich, können mehrere Materialien, Farben und Drahtstärken in einem
Herstellungsprozess verwendet werden. Ein Messkopf könnte eine abgeschlossene
Schicht kontrollieren, wo es auf Genauigkeit ankommt, und eine Nachbesserung mit
feinerem Arbeitsmaterial einleiten. Auch 3D-Scanning wäre mit einem Messkopf
möglich (auch Minikamera). Der Plotter kann bei Bedarf natürlich durch einen massiveren
motorisierten XY-Rahmen mit Elektronik ersetzt werden (der von
dem Gerät selbst hergestellt sein kann).