Home Forschung & Bildung Wissenschaftler erzeugen mit 2PP 3D-Drucker ultrapräzise Glasoptiken

Wissenschaftler erzeugen mit 2PP 3D-Drucker ultrapräzise Glasoptiken

Wissenschaftler der Universität Freiburg und der 3D-Druckerhersteller Nanoscribe haben ein Zwei-Photonen-Polymerisationssystem (2PP) eingesetzt, um Mikrostrukturen aus Quarzglas mit einer Auflösung von nur wenigen Zehntel Mikrometern herzustellen.

Mit ihrem neuen “Glassomer”-Harz auf Polymerbasis druckte das Team 3D-Objekte mit einer Oberflächenrauheit von 6 Nanometern, viel weniger als die 40-200 Nanometer, die man bei vielen anderen Glasteilen sieht. Die Wissenschaftler glauben, dass ihr spezielles Druck-, Entbinderungs- und Sinterverfahren in Zukunft für die Herstellung von Mikrooptiken der nächsten Generation mit potenziellen biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden könnte.

Das Herzstück der neuen Methode der Forscher war ihr neuartiges Glassomer-Silikat-Nanokomposit, das aus Siliziumdioxid-Nanopartikeln besteht, die in einer Bindemittelmatrix eingeschlossen sind. Während es dem Team zuvor gelungen war, das Material in einem SLA-Prozess zu verwenden, konnten sie es aufgrund seiner geringen Transparenz nicht für den 2PP-3D-Druck von Glasoptiken einsetzen.

Um dem entgegenzuwirken, erhöhten die Wissenschaftler die chemische Vernetzungsrate ihres Harzes, um eine höhere Aushärtungsgeschwindigkeit zu erreichen. Dadurch wurde nicht nur die chemische Stabilität verbessert, sondern auch eine Transparenz von 91,6 % erreicht. Mit der überarbeiteten Mischung und einem Photonic Professional GT2 3D-Drucker stellte das Team dann eine Reihe von Prototypen polymerer Nanostrukturen her.

Nach dem Druck wurden die Proben in Methanol getaucht, um nicht polymerisiertes Material zu entfernen, und bei einer Temperatur von 600 °C erhitzt, um das polymere Bindemittel zu entfernen. Die so entstandenen Teile wurden dann zu Quarzglas gesintert, und obwohl diese eine geringe Schrumpfung aufwiesen, konnten sie auch zu hochkomplexen Strukturen gedruckt werden.

Um dies zu demonstrieren, druckte das Team drei aufrechte Mikrolinsen zusammen, die eine Oberflächenrauheit von 6,1 nm aufwiesen, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich war. Darüber hinaus wiesen die Bauteile einen durchschnittlichen Brechungsindex von 1,4585 auf, wodurch sie nahezu identische Eigenschaften wie kommerzielle Glasoptiken aufwiesen.

Die Ergebnisse der Forscher sind in ihrer Arbeit mit dem Titel “Two-Photon Polymerization of Nanocomposites for the Fabrication of Transparent Fused Silica Glass Microstructures” detailliert beschrieben. Die Forschung wurde von Frederik Kotz, Alexander S. Quick, Patrick Risch, Tanja Martin, Tobias Hoose, Michael Thiel, Dorothea Helmer und Bastian E. Rapp mitverfasst.

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David ist Redakteur bei 3Druck.com.