Forscher der University of Massachusetts Amherst haben eine 3D-Druck-Methode für den Submikrometerbereich entwickelt, die eine preiswertere Alternative zur Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) darstellen soll. Wir stellen die Arbeit der Forscher einmal genauer vor.

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Forscher der University of Massachusetts Amherst haben eine kostengünstigere 3D-Druck-Methode zur Herstellung hochauflösender Teile als Alternative zur Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) vorgestellt. Statt teurer Femtosekundelasern, die während der 2PP zur Aushärtung eingesetzt werden, nutzt die neue  Methode der Forscher eine sichtbare LED Lichtquelle mit deutlich geringerer Intensität.

Dieser sogenannte „Triplet-Triplet Annihilation“ (TTA)-Prozess erreicht Strukturgrößen im Submikrometerbereich und könnte den Forschern zufolge „die Tür zu einer kostengünstigen Herstellung mit Submikrometerauflösung öffnen“. Sie veröffentlichten ihre Arbeit in einem Artikel mit dem Titel „Triplet–Triplet Annihilation Photopolymerization for High-Resolution 3D Printing„.

3D-Druck-Alternative zur 2PP

Für die Forscher ist die 2PP weiterhin eine praktikable 3D-Druck-Methode bei extrem hohen Auflösungen. 2PP-3D-Drucker können Teile mit Merkmalen in einer Größe von 60 bis 100 nm herstellen und werden angewendet wenn es auf eine hohe Präzision ankommt. Dazu zählt zum Beispiel die Erstellung von Prototypen für mikrofluidische oder medizinische Geräte. Systeme können das, indem sie kurze Laserpulse auf ein mit Photoinitiator beladenes Material so abfeuern, dass es zwei Photonen in einem sehr kleinen Volumen („Voxel“) absorbieren kann. Der winzige Durchmesser dieses Voxels ermöglicht die sehr hohe Genauigkeit.

Die Technologie stützt sich auch tendenziell auf die Verwendung von Femtosekundenlasern, die zwischen Zehn- und Hunderttausenden von Dollar kosten können. Bei der 2PP werden die hochenergetischen Übergänge mit niederenergetischen Photonen repliziert. TTA konnte bisher nur in der Photovoltaik, der mikrofluidischen oder der photochemischen Synthese oder in der Forschung und Entwicklung von photochromen Materialien eingesetzt werden, nicht im Submikron-3D-Druck.

3D-Druckverfahren TTA Schema
Forscher an der University of Massachusetts Amherst haben eine 3D-Druck-Alternative zur 2PP vorgestellt (im Bild: Schema der TTA)(Bild © University of Massachusetts Amherst).

Die Triple-Triple-Annihilation

Die Forscher nutzten einen experimentellen TTA-Aufbau mit einer LED-Lichtquelle mit geringer Intensität und druckten ein Harz aus Palladium,  Octaethylporphin und Diphenylanthracen.

Erste Tests funktionierten, indem LED-Strahlen von einem digitalen Mikrospiegel-Array reflektiert wurden, um grünes Licht zu erzeugen. Das konnte den Photosensibilisator des Materials an zwei Stellen auslösen, was durch einen als „Intersystem Crossing“ bekannten Prozess zur Bildung eines einzigen Lichtabsorptionspunkts führte. Die Lichtenergie wurde von diesem Punkt („Akzeptor“) über eine Förster-Resonanzenergieübertragung oder „FRET“-Reaktion, wie die Forscher annehmen, zum Photoinitiator des Harzes transportiert und die Proben polymerisiert. Sie setzten den Prozess ein, um Teile mit Merkmalen in unterschiedlichen Größen herzustellen, um die bestmögliche Auflösung per TTA-3D-Druck zu bestimmen. Die Experimente ergaben gleichmäßig große und geformte quadratische Muster mit Seiten von 0,55 bis 4,5 μm.

3D-Druckverfahren TTA Schema
Forscher haben 3D-gedruckte Proben mit ihrem Verfahren hergestellt (im Bild zu sehen)(Bild © University of Massachusetts Amherst).

Mit einem anschließend entwickelten motorisierten, bühnenbasierten Aufbau gelang es den Forschern Voxel einzeln zu drucken. Wurde die Bühne bewegt, konnte das Licht zur nächsten Schicht geleitet werden. Der mechanisierte Ansatz erlaubte es den Forschern, komplexere Modelle, wie zum Beispiel strebenartige und elefantenförmige Strukturen mit aufgehängten Merkmalen, bei einer Beleuchtungszeit von weniger als 0,1 Sekunden pro Voxel aufzubauen. Das Team ist der Ansicht, dass der kostengünstige Ansatz Potenzial hat, „weitere Innovationen im Bereich des hochauflösenden 3D-Drucks voranzutreiben“ und künftig noch höhere Auflösungen und Druckgeschwindigkeiten zu erreichen.

Erst vor wenigen Tagen haben wir das „XLF Print Set“ vorgestellt, das die Möglichkeiten des Quantum X shape Nanoscribe-3D-Druckers deutlich erweitert. Mehr Neuigkeiten über den Nano-3D-Druck erfahren Sie in unserer Kategorie „Nano-3D-Druck“.

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