Northwestern University-Forscher beschleunigen 3D-Druck von Abbildungsobjektiven

Ein Forscherteam der in Illinois, USA, ansässigen Northwestern University entdeckte eine neue Methode für einen beschleunigten 3D-Druck von millimetergroßen Abbildungsobjektiven. Diese Methode könnte beispielsweise zur Herstellung von personalisierten Kontaktlinsen genutzt werden.

Wenn man an die Herstellung von Objektiven denkt, kommt einem 3D-Druck sicherlich nicht als beste Methode in den Sinn. Die beim 3D-Druck entstehenden Schichten sind meist durch die Linse ersichtlich, was das Objektiv in weiterer Folge unbrauchbar macht. Diesem Problem nahmen sich auch Ingenieure der in Illinois beheimateten privaten Northwestern University an und versuchten ein solches Objektiv 3D zu drucken. Bei diesem Versuch mit einem DLP-Harz-3D-Drucker trat eben dieses Problem erneut auf: die gekrümmten Schichten ihrer Linsen wurden durch photohärtbares Harz sichtbar und waren somit für keine Art von Bildgebungsanwendung geeignet.

“Wir haben festgestellt, dass die übereinander liegenden Schichten Oberflächenrauhigkeiten erzeugen. Die Schichtdicke beträgt typischerweise 5 Mikrometer, während die Wellenlänge des sichtbaren Lichts etwa 0,5 Mikrometer beträgt. Dies erzeugt eine optisch raue Oberfläche,“ beschreibt Cheng Sun, Associate Professor für Maschinenbau bei Northwestern.

Nach dieser Erkenntnis fing ein Denkprozess an, in welchem die Forscher nach Möglichkeiten suchten, wie man diese raue Oberfläche vermeiden könnte. Einige Zeit und Recherche später kamen die Ingenieure sowie Forscher zu dem Schluss, einen zweistufigen Prozess des Schichtens und Polierens zu nutzen.

“Zuerst verwendeten wir Graustufenbilder, um mehr Übergänge zwischen den Schritten zu erzeugen”, erklärt Sun. “Dann haben wir die Oberfläche mit dem gleichen lichthärtbaren Harz beschichtet. Das bildet dann den Meniskus, der die Oberfläche weiter glättet.”

Knapp einhundert Versuche hat es gedauert, um diese Technik in die richtige Form zu bringen. Nun erreichten de Forscher schließlich ihr Ziel und realisierten eine 3D-gedruckte, transparente Linse mit glatter Oberfläche, welche weniger als sieben Nanometer Oberflächenrauigkeit aufweist. Somit qualifiziert sich dieses 3D-gedruckte Objektiv für Bildgebungsanwendungen.

Zwar weist diese 3D-Druckforschung keine neuen Tatsachen auf, da andere Gruppen, darunter der deutsche Lithografiespezialist Nanoscribe, dieses Verfahren bereits mit Erfolg nutzten, um Linsen 3D zu drucken. Das besondere an den Ergebnissen der Northwestern University-Forschung ist jedoch die Geschwindigkeit, mit welcher die Forscher diese Linsen nun herstellen können.

Auch die Anwendungsbereiche für diese 3D-gedruckten Linsen sind sehr breit gefächert. Nach Aussage von Cheng Sun können Gebiete wie die Optik oder auch die biomedizinische Bildgebung von diesen 3D-Drucklinsen profitieren. Aufgrund dessen planen die Forscher nun auch die Produktion wesentlich größerer Objektive. Jedoch auch in der Produktion von Kunstharzlinsen könnte dieses Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise in Endoskopen oder optischen Mikroskopen, um Krankheiten wie Krebs entdecken zu können.

“Bis jetzt waren wir stark auf den zeitaufwändigen und teuren Prozess des Polierens von Linsen angewiesen”, sagte Sun. “Mit 3D-Druck haben Sie jetzt die Freiheit, ein Objektiv schnell zu entwerfen und anzupassen.”