US-Forscher vom Caltech-Institut haben eine neue Technologie entwickelt, die es ermöglichen soll komplexe Metallstrukturen auf Nanoebene mit Hilfe von 3D-Druck herzustellen. Die nanoskaligen Strukturen der gedruckten Metallobjekte weisen gerade einmal ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares auf.

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Die Gitterstruktur von einem 3D-gedrucktem Metallobjekt auf Nanoebene (Bild © Caltech).

Der 3D-Metalldruck auf der Nanoskala ist eine der größten Herausforderungen der heutigen Zeit. Die Forscher an der Caltech (California Institute of Technology) haben jedoch eine Technik entwickelt, die es ermöglicht nanoskalige Metallstrukturen 3D-drucken zu lassen. Dieser Prozess könnte zukünftig für zahlreiche Anwendungen verwendet werden, wie z.B. für die Entwicklung ultraleichter Flugzeugkomponenten, für den Bau winziger medizinischer Implantate oder für das Erstellen von 3D-Logikschaltkreisen auf Computerchips.

Julia Greer, die Professorin für Materialwissenschaften, Mechanik und Medizintechnik an der Caltech-Abteilung für Technik und angewandte Naturwissenschaften, ist eine Expertin für den 3D-Druck extrem kleiner Architekturen, auch als Nano-3D-Druck bezeichnet. Ihre Gruppe druckt Nanostrukturen unter Verwendung aller Arten von Materialien, darunter auch organische Verbindungen und Keramiken. Neulich haben sie eine 3D-Gitter mit nanometergroßen Strahlen gebaut. Obwohl es bisher fast unmöglich war, Metall-Strukturen zu drucken, die gerade mal die halbe Breite eines menschlichen Haares haben, hat sich diese Gruppe genau auf dieses Fachgebiet spezialisiert.

Strukturen kleiner als ein Hunderstel der Breite eines menschlichen Haares

Bei diesem 3D-Druckverfahren handelt es sich um die sogenannte Zwei-Photonen-Lithographie, die nanoskalige Strukturen kleiner als ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares erzeugen kann. Der 3D-Druck im Nanobereich basiert auf dieser Technik, bei der ein hochpräziser Laser die Flüssigkeit an bestimmten Stellen des Materials mit zwei Photonen zerteilt. Zwar können auf diese Weise flüssige Polymere zu Feststoffen gehärtet werden, doch wenn es darum geht Metalle miteinander zu verschmelzen, hat sich diese Methode nicht als besonders effektiv erwiesen.

Nano-3D-Druck

„Mit Polymerharzen lassen sich Strukturen im Nanobereich erstellen, denn es wird eine chemische Reaktion ausgelöst, wenn Licht mit einem Polymer wechselwirkt. Diese Reaktion ermöglicht es, dass das Material aushärtet und eine bestimmte Form annimmt. Bei einem Metall ist dieser Prozess grundsätzlich unmöglich“, erklärte Greer in einer Pressemitteilung vom Caltech-Institut.

Andrey Vyatskikh, einer ihrer Absolventen wurde jedoch kreativ und entwickelte ein Harz, bei dem organische Liganden verwendet wurden. Es handelt sich dabei um Moleküle, die sich mit Metallen verbinden. Durch die Synthese dieser organischen Gerüste, die Metallionen enthalten, konnte er winzige Strukturen in 3D drucken – sogar viel kleiner als es bisher möglich war.

Das Verfahren im Detail

Vyatskikh schuf eine Flüssigkeit, die Nickel und organische Moleküle miteinander verbindet. Dann konstruierte das Team eine Struktur und erstellte sie in einem Zwei-Photonen-Lithographie-Prozess: Der Laser kann somit stärkere chemische Bindungen zwischen den Molekülen erzeugen und sie dadurch zu Bausteinen aushärten. Das Nickel wird in die Struktur eingebaut, da die Moleküle an die Nickelatome gebunden sind.

Die Struktur wurde in einer Vakuumkammer auf 1000ºC erhitzt, sodass die organischen Materialien verdampften, wobei nur die Metallteile der Struktur zurückblieben. Die Metallteilchen wurden miteinander verschmolzen, doch bei diesem einzigartigen Erhitzungsverfahren verdampfte auch eine große Menge des Strukturmaterials, sodass seine Abmessungen um 80% schrumpften. Seine 3D-gedruckte Form und seine Proportionen blieben allerdings erhalten.

Die Struktur des 3D-Drucks weist einige kleinere Verunreinigungen und Hohlräume auf, die von den verdampften organischen Materialien hinterlassen werden, so dass diese Technik offensichtlich noch optimiert werden muss. Das Team wird noch untersuchen, ob sich mit der gleichen Technik auch andere Materialien wie Keramik und Halbleiter 3D-drucken lassen.

Das Forscherteam beschrieb die neue Technik in ihrer Studie „Additive Manufacturing of 3D Nano-Architected Metals“. Ihre Forschung wurde vom US-Verteidigungsministerium finanziert. Mehr dazu auch in Zukunft im 3D-grenzenlos Magazin unter www.3d-grenzenlos.de und im kostenlosen 3D-Druck-Newsletter.

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