3D Matter Made to Order: Blitzschnelles 3D-Mikrodrucken mit zwei Lasern

Objekte aus Kunststoff präzise, schnell und kostengünstig zu drucken, ist das Ziel vieler 3D-Druckverfahren. Geschwindigkeit und hohe Auflösung sind jedoch nach wie vor eine technologische Herausforderung. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Heidelberg und der Queensland University of Technology (QUT) ist diesem Ziel ein großes Stück nähergekommen. Es entwickelte ein Laserdruckverfahren, mit dem mikrometergroße Teile innerhalb eines Wimpernschlags gedruckt werden können. Die Arbeit veröffentlichte das internationale Team in Nature Photonics.

Der 3D-Druck im Stereolithographie-Verfahren ist derzeit eines der beliebtesten additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe, sowohl für private als auch für industrielle Anwendungen. Bei der Stereolithografie werden die Schichten eines 3D-Objekts nacheinander in einen mit Harz gefüllten Behälter projiziert. Das Harz wird durch UV-Licht gehärtet. Bisherige Stereolithografie-Verfahren sind jedoch langsam und haben eine zu geringe Auflösung. Der von den Forschenden des KIT eingesetzte 3D-Lichtblattdruck (engl. Light-Sheet 3D Printing) ist eine schnelle und hochauflösende Alternative.

3D-Druck mit zwei Farben in zwei Stufen

Beim „Light-Sheet-3D-Druck“ wird blaues Licht in einen Behälter projiziert, der mit einem flüssigen Harz gefüllt ist. Durch das blaue Licht wird das Harz voraktiviert. In einer zweiten Stufe liefert ein roter Laserstrahl die zusätzliche Energie, die zum Aushärten des Harzes erforderlich ist. Schnell drucken lassen sich aber im 3D-Druck nur Harze, die rasch aus dem voraktivierten Zustand in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Erst dann kann die nächste Schicht gedruckt werden. Die Rückkehrzeit diktiert folglich die Wartezeit zwischen zwei aufeinander folgenden Schichten und damit die Druckgeschwindigkeit. „Bei dem Harz, das wir verwendet haben, betrug die Rückkehrzeit weniger als 100 Mikrosekunden, was hohe Druckgeschwindigkeiten ermöglicht“, so Erstautor Vincent Hahn vom Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT.

Mikrometergroße Strukturen in nur einem Wimpernschlag

Um die Vorteile dieses neuen Harzes zu nutzen, haben die Forschenden einen speziellen 3D-Drucker gebaut. In diesem Drucker werden blaue Laserdioden verwendet, um Bilder mithilfe eines hochauflösenden Displays mit hoher Bildfrequenz in das flüssige Harz zu projizieren. Der rote Laser wird zu einem dünnen „Lichtblatt“-Strahl geformt und kreuzt den blauen Strahl senkrecht im Harz. Mit dieser Anordnung konnte das Team mikrometergroße 3D-Teile in wenigen hundert Millisekunden, also in einem Wimpernschlag, drucken. Dabei soll es jedoch nicht bleiben: „Mit empfindlicheren Harzen könnten wir sogar LEDs statt Laser in unserem 3D-Drucker einsetzen“, sagt Professor Martin Wegener vom APH. „Letztlich wollen wir zentimetergroße 3D-Strukturen drucken und dabei die Auflösung im Mikrometerbereich und die hohe Druckgeschwindigkeit beibehalten. “

Die Publikation entstand im Rahmen des gemeinsamen Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ des KIT und der Universität Heidelberg. Beteiligt seitens der Universität Heidelberg war Juniorprofessorin Dr. Eva Blasco, Leiterin einer Arbeitsgruppe am Organisch-Chemischen Institut und am Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials.

Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“

Im Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg interdisziplinär an innovativen Technologien und Materialien für die digital skalierbare additive Fertigung, um die Präzision, Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit des 3D-Drucks zu verbessern. Ziel der Arbeiten ist es, die 3D-Fertigung und die Materialbearbeitung vom Molekül bis zur Mikrostruktur vollständig zu digitalisieren. Neben der Förderung als Exzellenzcluster im Rahmen des Exzellenzstrategie-Wettbewerbs von Bund und Ländern wird „3D Matter Made to Order“ von der Carl Zeiss Stiftung finanziert.

Publikation: V. Hahn, P. Rietz, F. Hermann, P. Müller, C. Barner-Kowollik, T. Schlöder, W. Wenzel, E. Blasco, and M. Wegener: Light-sheet three-dimensional microprinting via two-colour two-step absorption. Nature Photonics, 2022. DOI: 10.1038/s41566-022-01081-0