Zwei-Photonen-Lithographie: 3D-Drucker erzeugt 285 µm kleines Rennauto

  • Ein Rennauto mit ca. 285 µm Länge - gedruckt an der TU WienEin Rennauto mit ca. 285 µm Länge - gedruckt an der TU Wien
  • Ein Rennauto mit ca. 285 µm Länge - gedruckt an der TU Wien
  • Eine Nachbildung des Wiener Stephansdoms - geometrisch etwas vereinfacht, aber unvorstellbar klein: Nur etwas über 50 µm misst das Modell. Bild: Klaus Cicha
  • Die Londoner Tower Bridge - mit etwa 90 µm Abstand zwischen den Türmen. Bild: Klaus Cicha
  • Detail der Tower Bridge. Bild: Klaus Cicha
  • Jan Torgersen (l.) und Peter Gruber (r.) im 3D-Drucker-Labor

Die „Zwei-Photonen-Lithographie" zum Herstellen winziger maßgeschneiderter Strukturen konnte von Forschungsteams der TU Wien entscheidend verbessert werden: Ihr Hochpräzisions-3D-Drucker druckt um Größenordnungen schneller als bisherige Geräte (siehe VIDEO) und eröffnet dadurch ganz neue Anwendungsperspektiven - etwa in der Medizin. An der TU Wien wird derzeit nach bio-kompatiblen Harzen für maßgeschneiderte Strukturen gesucht, die lebende Zellen als Gerüst benutzen können, um biologisches Gewebe nachzubilden. Der 3D-Drucker eignet sich jedoch auch für die Herstellung präziser Bauteile für die biomedizinische Anwendungen sowie für die Nanotechnologie.

3D-Drucker mit Laser-Präzision
Die 3D-Drucker verwenden flüssiges Harz, das genau an den gewünschten Stellen durch fokussierte Laserstrahlen ausgehärtet wird. Der Brennpunkt des Laserstrahls wird mit beweglichen Spiegeln durch das Harz gelenkt und hinterlässt dort eine ausgehärtete Polymer-Linie mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntausendstel Millimeter (100 nm). Bei dieser Genauigkeit lassen sich sogar fein strukturierte Skulpturen von der Größe eines Sandkorns anfertigen. Tolle Beispielbilder der TU Wien zeigen ein kleines dreidimensionales Rennauto von nur 285 µm Länge, den Wiener Stephansdom in 50 µm sowie eine Miniatur-Towerbridge mit unglaublicher Detailtreue.

Geschwindigkeitsrekord
„Das Problem war bisher, dass diese Methode recht langsam war", sagt Professor Jürgen Stampfl vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Bisher hat man die Druckgeschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde gemessen - unser Gerät schafft in einer Sekunde fünf Meter." In der Zwei-Photonen-Lithographie ist das Weltrekord.
Diese ungeheure Geschwindigkeitssteigerung war durch ein Zusammenspiel mehrerer neuer Ideen möglich.

„Wesentlich war es, die Steuerung der Spiegel zu verbessern", sagt Jan Torgersen (TU Wien). Die Spiegel sind während des 3D-Druckvorganges ständig in Bewegung. Speziell auf die Beschleunigungs- und Abbremsphasen muss sehr genau geachtet werden, wenn man bei extrem hoher Druckgeschwindigkeit noch immer höchst präzise Ergebnisse haben möchte.

Lichtaktive Moleküle härten Kunststoff
Nicht nur die Mechanik spielt beim 3D-Drucker eine entscheidende Rolle, auch Chemiker hatten bei dem Projekt viel zu tun: „Das Harz enthält Moleküle, die vom Laserlicht aktiviert werden. Diese können dann an anderen Bausteinen, sogenannten Monomeren, eine Kettenreaktion auslösen, sodass sie fest werden", erklärt Jan Torgersen. Diese sogenannten „Initiator-Moleküle" werden nur dann aktiviert, wenn sie gleichzeitig zwei Photonen des Laserstrahls absorbieren - und das geschieht genau dort, wo der Laserstrahl extrem stark fokussiert ist.
Im Gegensatz zu konventionellen 3D-Drucktechniken kann das Material an jedem gewünschten Ort im Volumen ausgehärtet werden. Die neue Schicht entsteht also nicht auf der Oberfläche der vorhergehenden Schicht, sondern im Volumen des flüssigen Harzes (siehe VIDEO). Dadurch spielt - im Gegensatz zu konventionellen 3D-Druckern - die Oberflächenbeschaffenheit der Schicht keine Rolle. Weil die Oberfläche nicht für das Auftragen der nächsten Schicht präpariert werden muss, ergibt sich somit eine erhebliche Zeitersparnis. Das Team um Professor Robert Liska (Institut für Angewandte Synthesechemie, TU Wien) entwickelte die passenden Zutaten für diese Harz-Mischung.

http://www.tuwien.ac.at/

 

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