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3D-Mikrodruck - Kreuzen roter und blauer Laserstrahlen

Forschung zu 3D-Mikrodrucken
Drucken von Mikrostrukturen durch Kreuzen roter und blauer Laserstrahlen

Drucken von Mikrostrukturen durch Kreuzen roter und blauer Laserstrahlen
Beim 3D-Lichtblattdruck werden mit rotem und blauem Laserlicht präzise und schnell Objekte im Mikrometermaßstab gedruckt; Foto: © Vincent Hahn, KIT

Objek­te aus Kun­st­stoff präzise, schnell und kostengün­stig zu druck­en, ist das Ziel viel­er 3D-Druck­ver­fahren. Geschwindigkeit und hohe Auflö­sung sind jedoch nach wie vor eine tech­nol­o­gis­che Her­aus­forderung. Ein Forschung­steam des Karl­sruher Insti­tuts für Tech­nolo­gie (KIT), der Uni­ver­sität Hei­del­berg und der Queens­land Uni­ver­si­ty of Tech­nol­o­gy (QUT) ist diesem Ziel ein großes Stück nähergekom­men: Es entwick­elte ein Laser­druck­ver­fahren, mit dem mikrom­e­ter­große Teile inner­halb eines Wim­pern­schlags gedruckt wer­den kön­nen. Die Arbeit zum 3D-Mikro­druck veröf­fentlichte das inter­na­tionale Team in Nature Pho­ton­ics.

3D-Druck im Stereolithographie-Verfahren

Der 3D-Druck im Stere­olith­o­gra­phie-Ver­fahren ist derzeit eines der beliebtesten addi­tiv­en Fer­ti­gungsver­fahren für Kun­st­stoffe, sowohl für pri­vate als auch für indus­trielle Anwen­dun­gen. Bei der Stere­olith­o­grafie wer­den die Schicht­en eines 3D-Objek­ts nacheinan­der in einen mit Harz gefüll­ten Behäl­ter pro­jiziert. Das Harz wird durch UV-Licht gehärtet. Bish­erige Stere­olith­o­grafie-Ver­fahren sind jedoch langsam und haben eine zu geringe Auflö­sung. Der von den Forschen­den des KIT einge­set­zte 3D-Licht­blattdruck (engl. Light-Sheet 3D Print­ing) ist eine schnelle und hochau­flösende Alternative.

3D-Druck mit zwei Farben in zwei Stufen

Beim „Light-Sheet-3D-Druck“ wird blaues Licht in einen Behäl­ter pro­jiziert, der mit einem flüs­si­gen Harz gefüllt ist. Durch das blaue Licht wird das Harz vorak­tiviert. In ein­er zweit­en Stufe liefert ein rot­er Laser­strahl die zusät­zliche Energie, die zum Aushärten des Harzes erforder­lich ist. Schnell druck­en lassen sich aber im 3D-Druck nur Harze, die rasch aus dem vorak­tivierten Zus­tand in ihren ursprünglichen Zus­tand zurück­kehren. Erst dann kann die näch­ste Schicht gedruckt wer­den. Die Rück­kehrzeit dik­tiert fol­glich die Wartezeit zwis­chen zwei aufeinan­der fol­gen­den Schicht­en und damit die Druck­geschwindigkeit. „Bei dem Harz, das wir ver­wen­det haben, betrug die Rück­kehrzeit weniger als 100 Mikrosekun­den, was hohe Druck­geschwindigkeit­en ermöglicht“, so Erstau­tor Vin­cent Hahn vom Insti­tut für Ange­wandte Physik (APH) des KIT.

Blitzschneller 3D-Mikrodruck

Um die Vorteile dieses neuen Harzes zu nutzen, haben die Forschen­den einen speziellen 3D-Druck­er gebaut. In diesem Druck­er wer­den blaue Laser­dio­den ver­wen­det, um Bilder mith­il­fe eines hochau­flösenden Dis­plays mit hoher Bild­fre­quenz in das flüs­sige Harz zu pro­jizieren. Der rote Laser wird zu einem dün­nen „Lichtblatt“-Strahl geformt und kreuzt den blauen Strahl senkrecht im Harz. Mit dieser Anord­nung kon­nte das Team mikrom­e­ter­große 3D-Teile in weni­gen hun­dert Mil­lisekun­den, also in einem Wim­pern­schlag, druck­en. Dabei soll es jedoch nicht bleiben: „Mit empfind­licheren Harzen kön­nten wir sog­ar LEDs statt Laser in unserem 3D-Druck­er ein­set­zen“, sagt Pro­fes­sor Mar­tin Wegen­er vom APH. „Let­ztlich wollen wir zen­time­ter­große 3D-Struk­turen druck­en und dabei die Auflö­sung im Mikrom­e­ter­bere­ich und die hohe Druck­geschwindigkeit beibehalten. “

Die Pub­lika­tion zum 3D-Mikro­druck ent­stand im Rah­men des gemein­samen Exzel­len­z­clus­ters „3D Mat­ter Made to Order“ des KIT und der Uni­ver­sität Hei­del­berg. Beteiligt seit­ens der Uni­ver­sität Hei­del­berg war Junior­pro­fes­sorin Dr. Eva Blas­co, Lei­t­erin ein­er Arbeits­gruppe am Organ­isch-Chemis­chen Insti­tut und am Insti­tute for Mol­e­c­u­lar Sys­tems Engi­neer­ing and Advanced Materials.

Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“

Im Exzel­len­z­clus­ter „3D Mat­ter Made to Order“ forschen Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler des KIT und der Uni­ver­sität Hei­del­berg inter­diszi­plinär an inno­v­a­tiv­en Tech­nolo­gien und Mate­ri­alien für die dig­i­tal skalier­bare addi­tive Fer­ti­gung, um die Präzi­sion, Geschwindigkeit und Leis­tungs­fähigkeit des 3D-Drucks zu verbessern. Ziel der Arbeit­en ist es, die 3D-Fer­ti­gung und die Mate­ri­al­bear­beitung vom Molekül bis zur Mikrostruk­tur voll­ständig zu dig­i­tal­isieren. Neben der Förderung als Exzel­len­z­clus­ter im Rah­men des Exzel­len­zs­trate­gie-Wet­tbe­werbs von Bund und Län­dern wird „3D Mat­ter Made to Order“ von der Carl Zeiss Stiftung finanziert.

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