Nano- und Mikro-3D-Druck: 3D-Druckverfahren „Zweiphotonenpolymerisation“ (2PP) von Nanoscribe ermöglicht die Fertigung hochpräziser Mikrobauteile in Serienproduktion

Mit der allgemeinen Stereolitographie wie sie auch in den 3D-Druckern von Nanoscribe vorhanden ist, lässt sich vieles schichtweise und materialsparend erzeugen. Doch bei kleineren Objekten stößt das Verfahren an seine Grenzen. Durch die Verwendung der Zweiphotonenpolymerisation (einem 3D-Druckverfahren, kurz 2PP) und Polymer-Master lassen sich Produktentwicklungsprozesse allerdings deutlich verkürzen und hochpräzise Mikrobauteile in konventioneller Serienproduktion mit einem 3D-Drucker erzeugen.

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Nanoprinting, auch unter der Beizchnung Nano-3D-Druck zu finden, wirkt sich positiv auf Bereiche wie Elektronik und Medizin aus. Das deutsche Unternehmen Nanoscribe zählt weltweit zu den bekanntesten Unternehmen im 3D-Druck mikroskopisch kleiner Objekte, der s.g. Mikrofabrikation. Deren ultra-hochauflösendes Laserlitographiesystem, der Photonic Professional GT 3D-Drucker, stellte mit letzten Jahres seine Fähigkeit beim 3D-Druck von Mikrooptiken unter Beweis (wir berichteten).

Das Unternehmen liefert 3D-Drucker für die Nano-, Mikro- und Mesoskala sowie Photoresists und Prozesslösungen. Der Photonic Professional GT ermöglicht komplexe nano- und mikrostrukturierte Kunststoffbauteile mit einer extrem hohen Auflösung herzustellen, wobei die Strukturen nur wenige Millimeter messen.

Es erfordert sehr viel Flexibilität, wenn man mikroelektronische, mikrofluidische und mikrooptische Komponenten schichtweise herstellt. Produktlebenszyklen sind kürzer, haben komplexe Designs und müssen schnellere Iterationsprozesse bewältigen. Es ist sehr schwierig, Freiformstrukturen mit Auflösungen unter 10 μm unter Verwendung traditioneller Herstellungsverfahren anzufertigen. 3D-gedruckte Polymer-Master, die verwendet werden können, um Formen zum Heißprägen oder Spritzgießen herzustellen, basieren auf direktem Laserschreiben. Sie können direkt aus CAD-Modellen produziert werden, was eine kosteneffiziente Reproduktion großer Mengen der zu fertigenden Teile und eine hohe Formtreue ermöglicht.

Nanoscribe Photonic
Der Photonic Professional GT 3D Drucker von Nanoscribe (Bild © Nanoscribe).

Das Verfahren mit Zweiphotonenpolymerisation (2PP)

Die 3D-Drucksysteme von Nanoscribe verwenden das 3D-Druckverfahren mit Zweiphotonenpolymerisation (2PP), bei dem ein lichtempfindliches Material mit einem Laserstrahl belichtet und anschließend im Fokuspunkt ausgehärtet wird. So kann nahezu jede 3D-Polymerstruktur gedruckt werden. Mit der Stereolitographie lässt sich vieles erzeugen, doch die vorhandenen 3D-Drucker im Unternehmen haben ihre Grenzen. Durch die Verwendung der 2PP-Technologie ist Nanoscribe in der Lage, hochpräzise Mikrokomponenten mit Submikrometer-Strukturgrößen bis hinunter auf nur 200 Nanometer zu drucken. Das firmeninterne Softwarepaket bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche und einen einfach zu verfolgenden Arbeitsablauf, der die Eigenschaften wie Formgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit sowie die Verarbeitung des 3D-Druckobjekts optimiert.

Arbeitsablauf
Der einfach zu verfolgende Arbeitsablauf im firmeneigenen Softwarepaket© Nanoscribe).

3D-gedruckte Mikro-Optiken können als Polymer-Master verwendet werden, wenn sie scharfe Kanten, asymmetrische Geometrien, vertikale Abschrägungen und Arrays mit unterschiedlichen Elementen enthalten und zu einem Nickel-Shim galvanisiert werden. Hierbei wird die 3D-gedruckte Polymerstruktur dünn mit einer Schicht aus Metall gesputtert und die Nickel-Shim wird oben galvanisch abgeschieden, um eine Replikaform zu bilden. Diese Art von Form kann dann in die Prozesskette für verschiedene Arten des Spritzgießens aufgenommen werden. Das bietet die Grundlage für weitere Serienproduktion.

Der Nutzen der Polymer-Master

Polymer-Master können in Mikro-Werkzeugen eingesetzt werden, zum Beispiel für die Übertragung von 3D-gedruckten mikrooptischen Formen in die Serienfertigung. Prismen, Mikrolinsen und Retroreflektoren – allesamt als mikrooptische Elemente betrachtet – können mit hoher Maßgenauigkeit im 3D-Druckverfahren hergestellt werden und eignen sich damit ideal für Anwendungen wie Smartphones und Medizintechnik.

Polymer-Master
Der 3D-gedruckte Polymermaster dient als Basis für ein Nickel-Shim zum Spritzgießen.(Bild © Nanoscribe).

Nanoscribe bietet auch eine Reihe von maßgeschneiderten Druckmaterialien an, die speziell auf den Photonic Professional GT 3D-Drucker zugeschnitten sind, um bestmögliche Leistung zu erbringen.Die Druckmaterialien weisen spezifische Qualitäten, mechanische Stabilität, Formtreue und Oberflächenglattheit auf. Es gibt viele weitere photosensitive Materialien, die sich für den Druckprozess eignen. Es entstanden bereits Strukturen aus biokompatiblen, biodegradierbaren, hydrophoben, hydrophilen Polymermaterialien und auch Hydrogelen. Je nach Anwendung können die Polymerstrukturen auf verschiedenen Substraten (z.B. Glas- oder Siliziumwafer) hergestellt werden. So ist die Fertigung von Substraten, Siliziumchips und Glas auch kein Problem.

Ergänzend zum 3D-Druck von Mikrostrukturen und Mikrokomponenten, kann die einzigartige Technologie von Nanoscribe genutzt werden, um Mikroteile wie miniaturisierte Klemmen, Zahnräder, Schrauben und Spiralen mit Abmessungen bis in den Millimeterbereich hergestellt werden. Medizintechniker, die Uhren- oder MEMS-Industrie können diese 3D-Drucklösungen nutzen. Der Produktentwicklungsprozess verkürzt sich so enorm.

Schrauben
Schrauben mit einem Gewinde von 1,3 mm Außendurchmesser (Bild © Nanoscribe).

Auch bei anderen konventionellen Prozessen hat man dank dem 3D-Druck eine Verbesserung erreicht. Formen aus dem 3D-Drucker können Wlan-Empfang  und die Sicherheit verbessern. Und mit dem 3D-Drucker schafften es Mediziner in den USA, die Lebensqualität der Veteranen wieder zu verbessern. Zum Thema Nano-3D-Druck erhalten Sie auf unserer Themenseite „Nano-3D-Druck“ mehr Informationen, sowie regelmäßig im kostenlosen 3D-Drucker-Newsletter von 3D-grenzenlos (jetzt hier anmelden).

Hier im Video entsteht ein Raumschiff auf Mikroebene im 3D-Druckverfahren

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