Mikrokosmos aus dem Drucker

Der Markt für 3D-Drucker wächst: Mit ihnen lassen sich Produkte schnell und einfach herstellen. Doch nicht nur in der für uns sicht­baren Welt kommen sie zum Einsatz, sondern auch im Nano- und Mikro­kosmos. Möglich machen das spezielle Mikro-3D-Drucker. Mit dieser Technik befassen sich Physiker an der Technischen Universität Kaisers­lautern (TUK). Sie haben nun die Funktionen des Laser­systems, das hier zum Einsatz kommt, so erweitert, dass sie damit viel komplexere Strukturen herstellen können. Die Technik hilft etwa dabei, neue Mikro­strukturen für die Ober­flächen von Bau­teilen zu produzieren, um die Reibung zu senken, aber auch um Grund­lagen in der Quanten­physik besser zu erforschen.

Die Druckerzeugnisse, mit denen sich die Physiker um Georg von Freymann auf dem Kaisers­lauterer Campus beschäftigen, sind derartig winzig, dass sie für das menschliche Auge kaum sichtbar sind, höchstens als Körnchen. Kleinste Struktur­details liegen in Bereichen von rund 100 Nano­metern. Erst das Raster­elektronen­mikroskop macht sie und ihre filigranen Formen sichtbar.

Mikro-3D-Drucker sind schon einige Jahre auf dem Markt. Bei ihnen kommen litho­grafische Verfahren zum Einsatz, die ähnlich funktionieren wie die Belichtung bei früheren Foto­filmen. „Ein Laser­strahl belichtet hierbei eine viskose Kunststoff-Flüssigkeit“, erklärt von Freymann vom Lehr­stuhl für optische Technologien und Photonik das Prinzip. „Die Intensität des Lasers ist so hoch, dass es zu einer lokalen chemischen Reaktion kommt und der Kunst­stoff aushärtet.“ Dabei gibt ein Computer­programm die gewünschte 3D-Form vor. Nachdem der belichtete Teil ausgehärtet ist, kann die restliche Flüssigkeit entfernt werden.

Die Kaiserslauterer Physiker arbeiten schon lange mit dieser Technik und entwickeln sie weiter: Sie haben die Funktionalität der Drucker erweitert. „Wir können Amplitude, Phase und Polarisation des Laser­strahls kontrollieren“, sagt von Freymann. Damit ist es den Forschern möglich, mit dem Druck­verfahren viel komplexere Strukturen herzustellen.

Zum Einsatz kommt die Technik in verschiedenen Bereichen. Im SFB 926 „Bau­teil­oberflächen: Morphologie auf der Mikro­skala“ arbeiten die Physiker zum Beispiel mit Kollegen aus dem Fachbereich Maschinen­bau und Verfahrens­technik zusammen. Sie entwickeln neuartige Mikro­strukturen für die Ober­fläche von Bauteilen. „Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel die Reibung und dadurch der Verschleiß senken“, sagt der Professor. Solche Methoden sind darüber hinaus von Interesse, um etwa die Ansammlung von Zellen zu kontrollieren.

„In vielen Bereichen lagern sich Mikro­organismen in Form von Bio­filmen an“, nennt von Freymann als Beispiel. Das kann in Kranken­häusern sein, aber auch bei Produktions­anlagen in der Industrie. „Mit speziell strukturierten Oberflächen kann man dies verhindern. Umgekehrt ist es aber auch möglich, Zellen gezielt anzusiedeln.“ Beispiels­weise in der Forschung, um Zell­kulturen besser wachsen zu lassen.

Auch für die Grundlagenforschung ist die Laser­druck­technik von Bedeutung, um etwa Phänomene der Quanten­physik genau zu untersuchen. „Wir können damit Modelle entwickeln, in denen wir unter anderem die Positionen einzelner Atome verschieben. Dies geht in realen Festkörpern nicht so einfach“, so von Freymann. „Wir können hierbei erforschen, was auf Quanten­ebene geschieht.“

Von Freymann ist zudem am Unternehmen Nanoscribe beteiligt, das 2007 gegründet wurde und solche Mikro-3D-Drucker herstellt. Kürzlich hat das Unternehmen gemeinsam mit dem Institut für Nano­technologie am Karlsruher Institut für Technologie den Technologie­transferpreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft erhalten.

TU Kaiserslautern / DE