Neuer Weltrekord: Forscher haben mittels 3D-Druck filigrane Strukturen im Mikrometermaßstab gedruckt – so schnell wie niemals zuvor. Das von ihnen optimierte Verfahren nutzt Laserstrahlen und Fotolack und erreicht erstmals das Tempo eines grafischen Tintenstrahldruckers. Damit ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten für Einsatzbereiche wie Optik und Photonik.

Der 3D-Druck gilt als Produktionstrend der Zukunft und hat der Technik schon heute zu entscheidenden Fortschritten verholfen. Denn mit diesem Verfahren lassen sich maßgeschneiderte Bauteile schnell, präzise und vergleichsweise kostengünstig herstellen. Ob angepasste Hörgeräte, Komponenten für Gasturbinen oder ganze Flugzeugteile – den Anwendungsmöglichkeiten scheinen dabei keine Grenzen gesetzt.

Inzwischen wird der 3D-Druck zunehmend auch für die Produktion von Strukturen im Millimeter- und Mikrometermaßstab genutzt. So haben Forscher jüngst etwa eine nur einen Millimeter große David-Skulptur gedruckt. Die Herausforderung jedoch: Für viele Anwendungen muss der Druck nicht nur fein sein, sondern gleichzeitig möglichst schnell gehen.

Winzigklein und superschnell

Vincent Hahn vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und seinen Kollegen ist in diesem Zusammenhang nun ein wesentlicher Fortschritt gelungen: Sie haben ein Drucksystem entwickelt, mit dem sich zentimetergroße Objekte mit submikrometergroßen Details drucken lassen – und zwar in bisher unerreichter Geschwindigkeit.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich dabei auf eine Form des 3D-Drucks, bei dem der Lichtfleck eines Lasers computergesteuert einen flüssigen Fotolack durchfährt. Nur das Material im Brennpunkt des Lasers wird dabei belichtet und ausgehärtet. „Die Brennpunkte entsprechen den Düsen beim Tintenstrahldrucker, mit dem Unterschied, dass sie dreidimensional arbeiten“, erklärt Hahn.

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Tintenstrahldrucker eingeholt

Mit einem einzigen Laserlichtfleck konnte man bisher einige hunderttausend Voxel pro Sekunde erzeugen – ein Voxel ist die dreidimensionale Entsprechung des Pixels im 2D-Druck. Damit war der Drucker fast hundertmal langsamer als grafische Tintenstrahldrucker. Doch das hat sich mit dem neuen System geändert.

Dank einer speziellen Optik wird der Laserstrahl bei dem Verfahren der Forscher in neun Teilstrahlen aufgeteilt, die jeweils in einen Brennpunkt gebündelt werden und parallel verwendet werden können. Eine verbesserte elektronische Ansteuerung erhöht zusätzlich Tempo und Präzision. Zusammen mit einigen weiteren Verbesserungen ergibt sich jetzt eine Druckgeschwindigkeit von etwa zehn Millionen Voxel pro Sekunde. Das entspricht dem Tempo von grafischen 2D-Tintenstrahldruckern, wie das Team berichtet.

Ein neuer Weltrekord

Um nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Zuverlässigkeit ihres Aufbaus zu demonstrieren, druckten Hahn und seine Kollegen eine 60 Kubikmillimeter große Gitterstruktur mit Details bis in den Mikrometermaßstab, die mehr als 300 Milliarden Voxel enthält.

„Mit dem Druck dieses Metamaterials schlagen wir den Rekord, der bei 3D-gedruckten Flugzeugflügeln erreicht wurde, um Längen – ein neuer Weltrekord“, konstatiert Martin Wegener vom KIT.

Nutzen für Optik, Photonik und Co

Mit diesem Rekord ergeben sich neue Möglichkeiten für den Druck filigraner Strukturen für unterschiedliche Einsatzbereiche – von Optik und Photonik über Biotechnologie bis hin zur Sicherheitstechnik. Doch Hahns Team reicht dieser Erfolg noch nicht. Sie wollen das Verfahren weiter optimieren: „Schließlich will man mit 3D-Druckern nicht nur das Pendant eines Blattes, sondern dicke Bücher ausdrucken“, konstatiert der Forscher.

Hierzu seien insbesondere auch Fortschritte in der Chemie erforderlich. Beispielsweise müssten empfindlichere Fotolacke entwickelt werden, um mit der gleichen Laserleistung noch mehr Brennpunkte erzeugen zu können. (Advanced Functional Materials, 2020; doi: 10.1002/adfm.201907795)

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie

6. Februar 2020

- Daniela Albat