3D-Drucker mit Nano-Präzision

Mikroskopisch kleine Details ausdrucken, in drei Dimensionen – die „Zwei-Photonen-Lithographie“ macht's möglich. Diese Technologie kann zum Herstellen von winzigen maßgeschneiderten Strukturen genützt werden. Forschungsteams der TU Wien konnten diese Technologie nun entscheidend verbessern: Ihr Hochpräzisions-3D-Drucker druckt um Größenordnungen schneller als bisherige Geräte (siehe Video). Dadurch ergeben sich ganz neue Anwendungsperspektiven – etwa in der Medizin.

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. „Das Problem war bisher, dass diese Methode recht langsam war“, sagt 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, die Steuerung der Spiegel zu verbessern. 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.

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 das Laserlicht aktiviert. Diese können dann an anderen Monomeren eine Kettenreaktion auslösen, sodass sie fest werden“, erklärt Jan Torgersen. Diese „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 härtet das Material so an jedem gewünschten Ort im Volumen aus. Die neue Schicht entsteht also nicht auf der Oberfläche der vorhergehenden Schicht, sondern im Volumen des flüssigen Harzes. 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 Robert Liska am Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien entwickelte die passenden Zutaten für diese Harz-Mischung.

Durch die nun erreichte hohe Geschwindigkeit kann man in einem gegebenen Zeitraum viel größere Objekte herstellen als bisher. Das macht die Zwei-Photonen-Lithographie für die Industrie interessant. An der TU Wien wird derzeit nach biokompatiblen Harzen für medizinische Anwendungen gesucht. Mit ihnen könnte man maßgeschneiderte Strukturen bauen, die lebende Zellen als Gerüst benutzen können, um biologisches Gewebe nachzubilden. Der Drucker eignet sich jedoch auch für die Herstellung präziser Bauteile für die biomedizinische Anwendungen sowie für die Nanotechnologie.

TU Wien / OD

Im Video ist der Herstellungsprozess in Echtzeit zu sehen. Durch die sehr schnelle Führung des Laserstrahls werden hier in 4 min 100 Schichten erzeugt. Eine Schicht besteht dabei aus zirka 200 einzelnen Polymerstrichen: