Dual-Laser-Ansatz könnte Kosten für hochauflösenden 3D-Druck senken

Forschende haben eine neue Zwei-Photonen-Polymerisationstechnik entwickelt, bei der zwei Laser für den 3D-Druck komplexer hochauflösender Strukturen eingesetzt werden. Dieser Fortschritt könnte das 3D-Druckverfahren kostengünstiger machen und ihm zu einem breiteren Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen verhelfen.

Die Zweiphotonen-Polymerisation ist eine fortschrittliche additive Fertigungstechnik, die traditionell Femtosekundenlaser verwendet, um Materialien präzise in 3D zu polymerisieren. Obwohl dieses Verfahren für die Herstellung hochauflösender Mikrostrukturen gut geeignet ist, wird es aufgrund der hohen Kosten von Femtosekundenlasern in der industriellen Fertigung selten eingesetzt.

In der Fachzeitschrift Optics Express zeigen die Forschenden, dass der zweilaserige Ansatz die benötigte Leistung des Femtosekundenlasers um bis zu 50 Prozent im Vergleich zur alleinigen Verwendung eines Femtosekundenlasers verringert.

“Wir haben einen relativ kostengünstigen Laser, der sichtbares Licht aussendet, mit einem Femtosekundenlaser kombiniert, der Infrarotpulse aussendet, um den Leistungsbedarf des Femtosekundenlasers zu verringern”, so der Leiter des Forschungsteams, Xianfan Xu von der Purdue University. “Auf diese Weise kann bei einer gegebenen Femtosekundenlaserleistung der Druckdurchsatz erhöht werden, was zu niedrigeren Kosten für den Druck einzelner Teile führt.”

Der herkömmliche Zweiphotonen-Polymerisationsprozess nutzt Femtosekundenlaser, um einen photochemischen Prozess einzuleiten, der inhibitorische Spezies im Material reduziert, bevor der Druck beginnt. Das neue Verfahren verwendet stattdessen einen kostengünstigen Laser für diesen Zweck. Die Forschenden kombinierten Einphotonenabsorption eines 532-nm-Nanosekundenlasers mit Zweiphotonenabsorption eines 800-nm-Femtosekundenlasers und fanden das richtige Gleichgewicht zwischen Druck und Hemmung durch die beiden Laser.

“3D-Druck mit hoher Auflösung hat viele Anwendungen, darunter 3D-Elektronikgeräte, Mikroroboter für den biomedizinischen Bereich und 3D-Strukturen oder Gerüste für das Tissue Engineering”, sagte Xu. “Unser neuartiger 3D-Druck-Ansatz kann problemlos in viele bestehende Femtosekundenlaser-3D-Drucksysteme implementiert werden.”

“Bei einem konventionellen Zwei-Photonen-Polymerisationsdruckverfahren wird der Femtosekundenlaser zunächst verwendet, um einen photochemischen Prozess zu initiieren, der die Inhibitionsspezies im Material reduziert, bevor der Druck beginnt”, so Xu weiter. “Wir haben stattdessen einen kostengünstigen Laser für diesen Zweck verwendet.”

Das Team entwickelte ein mathematisches Modell, um die photochemischen Prozesse zu verstehen und die kombinierte Wirkung von Zweiphotonen- und Einphotonenanregung zu berechnen. Dies ermöglichte es ihnen, die dominierenden Prozesse zu identifizieren, die steuern, wie stark die Leistung des Femtosekundenlasers reduziert werden kann, während dennoch wünschenswerte Druckergebnisse erzielt werden.

“Dieser neue Druckansatz könnte sich auf die Fertigungstechnologien auswirken und die Entwicklung von Geräten in der Unterhaltungselektronik und im Gesundheitswesen sowohl jetzt als auch in Zukunft beeinflussen”, so Xu.

Nach der Feinabstimmung des neuen Ansatzes druckten die Forschenden verschiedene 2D- und 3D-Strukturen mit reduzierter Femtosekundenlaserleistung. Zu den gedruckten Strukturen gehörten detaillierte Holzstapel von nur 25 × 25 × 10 µm sowie mikrometergroße Buckyballs, chirale Strukturen und Kleeblattknoten. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die neue Methode die benötigte Leistung des Femtosekundenlasers um bis zu 80 Prozent für 2D-Strukturen und bis zu 50 Prozent für 3D-Strukturen reduzierte.