Liebling, wir haben den David geschrumpft

Zentraler Bestandteil des Verfahrens ist eine Mikropipette, die an eine Blattfeder gekoppelt ist, wobei die Kraft beobachtet wird, mit welcher die Spitze der Pipette das Substrat berührt. Damit können die Forscher hochpräzise in Lösung befindliche Metalle auf einer leitenden Grundplatte elektrochemisch abscheiden. Schicht für Schicht können sie so, dank der optischen Kraftmessung automatisiert, in einem Arbeitsgang winzige Metallstrukturen aufbauen. Die Firma Exaddon hat das Mikrometall-Druckverfahren übernommen und verbessert, insbesondere beschleunigt.

Um das Potenzial der Technologie aufzuzeigen, druckte Ercolano nun den Mikro-David. Bislang hätten sie vor allem winzige Säulen oder Spiralen gedruckt. „Das Verfahren erlaubt aber, auch beliebige komplexe Strukturen und Geometrien zu drucken“, sagt Ercolano. Die Skulptur wurde in einem einzigen Durchgang, ohne Stützstruktur oder Schablone, gedruckt. Auch mussten die Forscher das Figürchen nach der Fabrikation weder brennen noch härten.

Die Daten der Davidskulptur, die den Drucker steuern, sind frei im Internet verfügbar. „Ich hätte sogar den Raum mitdrucken können, in dem die Statue ausgestellt ist, denn der Datensatz umfasst auch diesen“, schmunzelt Ercolano. Um David ohne Ausstellungsraum herzustellen, habe er deshalb den Datensatz bereinigen müssen.

Auflösung setzt untere Grenze

Ercolano druckte David in zwei Größen: primär als Skulptur von einem Millimeter und eine, die zehnmal kleiner ist. „Die kleinere Figur ist nur so hoch wie der Sockel der größeren“, sagt der Forscher. Mit der Auflösung stoße man aber bei solch kleinen Strukturen an Grenzen. Das Drucken von metallischen Mikroobjekten beginnt bei einem Mikrometer. Der Hauptbereich für den Druck von komplexeren und detailreichen Mikroobjekten liegt zwischen hundert Mikrometer und einem Millimeter. Auch zeitlich liegen Welten zwischen dem ein Millimeter großen und dem zehnmal kleineren Modell: Um den „großen“ David zu erzeugen, brauchte das Gerät dreißig Stunden, für die kleinere Ausgabe zwanzig Minuten.

Theoretisch lassen sich bis zu fünf Millimeter große Objekte mit diesem Drucksystem fabrizieren. Allerdings fasst die Druckpatrone nur einen Mikroliter „Tinte“, was gerade für die Herstellung des größeren Davids reicht. Mit einer Füllung können allerdings hunderte bis tausende von winzigen Objekten gedruckt werden, was der Stärke des Druckverfahrens entspricht.

Sehr zufrieden mit dem Resultat ist auch Tomaso Zambelli. „Es freut uns, dass eine Technologie aus unserem Forschungslabor den Weg in die Praxis gefunden hat“, sagt der ETH-Professor. „Die Tatsache, dass eine unabhängige Gruppe unser 3D-Druckverfahren übernehmen und gar verbessern konnte zeigt, dass es wirklich funktioniert“, sagt er.

Interessiert an diesem Druckverfahren ist in erster Linie die Elektronikbranche. Mit der Methode können beispielsweise Computerchips miteinander verbunden oder Mikroelektronik punktgenau repariert werden. Obwohl sich auch andere Metalle drucken lassen, wie Platin, Gold, Nickel oder Silber, fragen Kunden Kupfer am stärksten nach. „Neun von zehn Anfragen betreffen Kupfer“, sagt Ercolano.

ETH / OD

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. Ercolano et al.: Additive manufacturing of sub-​micron to sub-​mm metal structures with hollow AFM cantilevers. Micromachines 11(1), 6; online 18 December 2019; DOI: 10.3390/mi11010006
• Electrochemical Deposition µAM, Exaddon AG, Glattbrugg, Schweiz