Elektronenmikroskopische Rekonstruktion einer 3-D-Nanostruktur, die mit dem Zwei-Stufen-Verfahren gedruckt wurde (links) sowie lichtmikroskopische Aufnahme (rechts) (Foto: Professor Rasmus Schröder, Universität Heidelberg, Vincent Hahn, KIT)
Die Laser in heutigen Laserdruckern für Papierausdrucke sind winzig klein. Bei 3-D-Laserdruckern, die dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen drucken, sind dagegen bisher große und kostspielige Lasersysteme notwendig. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Universität Heidelberg nutzen nun stattdessen ein anderes Verfahren. Die Zwei-Stufen-Absorption funktioniert mit winzig kleinen blauen Laserdioden, die kostengünstig sind. Dadurch ist es möglich, mit weitaus kleineren Druckern zu arbeiten.
Für additive Fertigung mit 3-D-Druck ist Laserdrucken heute das Verfahren der Wahl, denn es bietet von allen Verfahren die beste räumliche Auflösung und zugleich eine extrem hohe Druckgeschwindigkeit. Beim Laserdrucken richtet sich ein fokussierter Laserstrahl auf eine lichtempfindliche Flüssigkeit. Im Brennpunkt legt das Laserlicht in speziellen Molekülen gleichsam einen Schalter um, der eine chemische Reaktion auslöst. Sie führt zu einer lokalen Verfestigung des Materials. Durch Verschieben des Brennpunkts können beliebige Mikro- und Nanostrukturen hergestellt werden. Die chemische Reaktion wird dabei durch die sogenannte Zwei-Photonen-Absorption bewirkt, das heißt zwei Lichtteilchen (Photonen) regen das Molekül gleichzeitig an, was die gewünschte chemische Veränderung bewirkt. Diese gleichzeitige Anregung ist jedoch äußerst selten, weswegen komplexe gepulste Lasersysteme eingesetzt werden müssen, was wiederum größere Dimensionen beim Laserdrucker zur Folge hat.
Kompaktere 3-D-Drucker durch Zwei-Stufen-Verfahren
Kompaktere, kleinere Drucker sind dagegen mit dem sogenannten Zwei-Stufen-Verfahren möglich. Dabei versetzt das erste Photon das Molekül in einen Zwischenzustand. In der zweiten Stufe bringt ein zweites Photon das Molekül aus dem Zwischenzustand in den gewünschten Endzustand – und startet die chemische Reaktion. Der Vorteil: Dies muss nicht wie bei der Zwei-Photonen-Absorption gleichzeitig geschehen. „Daher gelingt der Prozess mit kompakten und leistungsarmen Dauerstrich-Laserdioden“, erklärt Vincent Hahn vom Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT. Die hierfür erforderlichen Laserleistungen liegen sogar deutlich unter denen von handelsüblichen Laserpointern. Für dieses Druckverfahren müssen jedoch spezifische Fotolacke verwendet werden. „Die Entwicklung dieser Fotolacke hat einige Jahre gedauert und war auch nur durch die Zusammenarbeit mit Chemikerinnen und Chemikern möglich“, erläutert Professor Martin Wegener vom APH.
Nicht nur einfacher, sondern sogar besser
„In der Studie zeigen wir, dass die Idee funktioniert, und dies sogar besser als bei der bisher verwendeten Zwei-Photonen-Absorption“, so Hahn. Der Vorteil in der Anwendung liegt für Wegener auf der Hand: „Es macht schon einen erheblichen Unterschied, ob man einen kistengroßen Femtosekunden-Laser für einige Zehntausend Euro braucht oder einen stecknadelkopfgroßen Halbleiter-Laser für weniger als zehn Euro. Jetzt gilt es, die anderen Komponenten des 3-D-Laser-Nanodruckers auch zu miniaturisieren. Dabei scheint mir ein schuhschachtelgroßes Gerät in den nächsten Jahren durchaus realistisch. Das wäre dann sogar kleiner als der Laserdrucker auf meinem Schreibtisch am KIT.“ So können 3-D-Laser-Nanodrucker plötzlich für viele Gruppen erschwinglich werden. Fachleute sprechen bereits von der Demokratisierung der 3-D-Drucktechnologie.
Neben den Forschern des KIT waren an der Studie auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Heidelberg beteiligt. Die Veröffentlichung entstand im Rahmen des gemeinsamen Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ von KIT und Universität Heidelberg.
Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“
Im Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order (3DMM2O) forschen Wissenschaftler*innen des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Heidelberg interdisziplinär an innovativen Technologien und Materialien für digitale und skalierbare Additive Fertigungsverfahren, um den 3D-Druck präziser, schneller und leistungsfähiger zu machen. Ziel ist es, die 3D-Fertigung und Materialverarbeitung vom Molekül bis zur Makrostruktur vollständig zu digitalisieren. Zusätzlich zur Förderung als Exzellenzcluster innerhalb der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder wird 3DMM2O durch die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert. Weitere Informationen: https://www.3dmm2o.de
Originalpublikation:
V. Hahn, T. Messer, M. Bojanowski, E.R. Curticean, I. Wacker, R. Schröder, E. Blasco, and M. Wegener: Two-step absorption instead of two-photon absorption in 3D laser nanoprinting. Nature Photonics, 2021. DOI: 10.1038/s41566-021-00906-8
