Präzisionsgerät

TU-Wien-Forscher bauen schnellsten 3D-Drucker der Welt

Mithilfe der sogenannten "Zwei-Photonen-Lithographie" lassen sich mikroskopisch kleine Details in drei Dimensionen ausdrucken. Das Verfahren hatte bisher allerdings den Nachteil einer relativ geringen Druckgeschwindigkeit. Forscher an der TU Wien haben nun einen Präzisions-3D-Drucker entwickelt, der um Größenordnungen schneller druckt als alle bisherigen Geräte.

Zum Ausdrucken dreidimensionaler Strukturen mithilfe von 3D-Druckern wird flüssiges Harz verwendet, das genau an den gewünschten Stellen durch fokussierte Laserstrahlen ausgehärtet wird. Der Brennpunkt des Laserstrahls wird mit beweglichen Spiegeln durch das Harz gelenkt und hinterlässt dort eine ausgehärtete Polymer-Linie mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometer (einem Zehntausendstel Millimeter).

Laser-Präzision für Mini-Skulpturen
Bei dieser Genauigkeit lassen sich sogar fein strukturierte Skulpturen von der Größe eines Sandkorns anfertigen. "Das Problem war bisher, dass diese Methode recht langsam war", sagt Professor Jürgen Stampfl vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. "Bisher hat man die Druckgeschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde gemessen – unser Gerät schafft in einer Sekunde fünf Meter." In der Zwei-Photonen-Lithographie ist das Weltrekord.

Diese ungeheure Geschwindigkeitssteigerung war durch ein Zusammenspiel mehrerer neuer Ideen möglich. "Wesentlich war es, die Steuerung der Spiegel zu verbessern", sagt Jan Torgersen. Die Spiegel sind während des 3D-Druckvorganges (siehe Video) ständig in Bewegung. Speziell auf die Beschleunigungs- und Abbremsphasen muss sehr genau geachtet werden, wenn man bei extrem hoher Druckgeschwindigkeit noch immer höchst präzise Ergebnisse haben möchte.

Lichtaktive Moleküle härten den Kunststoff
Nicht nur die Mechanik spielt beim 3D-Drucker eine entscheidende Rolle, auch Chemiker hatten bei dem Projekt viel zu tun: "Das Harz enthält Moleküle, die vom Laserlicht aktiviert werden. Diese können dann an anderen Bausteinen, sogenannten Monomeren, eine Kettenreaktion auslösen, sodass sie fest werden", erklärt Torgersen. Diese sogenannten "Initiator-Moleküle" werden nur dann aktiviert, wenn sie gleichzeitig zwei Photonen des Laserstrahls absorbieren – und das geschieht genau dort, wo der Laserstrahl extrem stark fokussiert ist.

Im Gegensatz zu konventionellen 3D-Drucktechniken kann das Material an jedem gewünschten Ort im Volumen ausgehärtet werden. Die neue Schicht entsteht also nicht auf der Oberfläche der vorhergehenden Schicht, sondern im Volumen des flüssigen Harzes (siehe Video). Dadurch spielt, im Gegensatz zu konventionellen 3D-Druckern, die Oberflächenbeschaffenheit der Schicht keine Rolle. Weil die Oberfläche nicht für das Auftragen der nächsten Schicht präpariert werden muss, ergibt sich somit eine erhebliche Zeitersparnis. Ein Team um Professor Robert Liska vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien entwickelte die passenden Zutaten für diese Harz-Mischung.

Anwendung in der Biomedizin
An der TU Wien wird derzeit nach biokompatiblen Harzen für medizinische Anwendungen gesucht. Mit ihnen könnte man maßgeschneiderte Strukturen bauen, die lebende Zellen als Gerüst benutzen können, um biologisches Gewebe nachzubilden. Der Drucker eignet sich jedoch auch für die Herstellung präziser Bauteile für die biomedizinische Anwendungen sowie für die Nanotechnologie.

Schon im Vorjahr erregte die Rapid-Prototyping-Gruppe der TU Wien großes Aufsehen mit dem "kleinsten 3D-Drucker der Welt" (siehe Infobox). Dieses Modell basiert allerdings auf einer anderen Technologie: Statt eines Lasers wie bei der Zwei-Photonen-Lithographie wird dort ein einfacher Beamer verwendet. Dadurch können größere Objekte hergestellt werden, die Präzision ist aber viel geringer.

Das Video zeigt die Entstehung eines mikroskopisch kleinen, nur rund 285 Mikrometer langen Modells eines Indycar-Boliden, das mithilfe des beschriebenen 3D-Nano-Druckers in nur vier Minuten hergestellt wurde.