Ein Team von Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat 3D-gedruckte Mikrostrukturen mit direktem Laserschreiben hergestellt. Die fertigen Objekte bleiben auch nach dem 3D-Druck beweglich und reagieren auf äußere Einflüsse, wie auch beim 4D-Druck bekannt.

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Logo Karlsruher Institut für TechnologieEin Wissenschaftlerteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat bewegliche Mikrostrukturen mit einem 3D-Drucker hergestellt, die unter Temperatur- oder Lichteinfluss ihre Form selbstständig verändern können. Die Forschungsergebnisse publizierten die Forscher im Fachmagazin Nature Communications. Dieses selbst verändernde Verhalten 3D-gedruckter Objekte unter Veränderung äußerer Einflüsse wird auch als 4D-Druck bezeichnet.

Direktes Laserschreiben als Verfahren

Wie in der Presseinformation vom KIT mitgeteilt wird, verwendete das Forscherteam das direkte Laserschreiben als 3D-Druckverfahren. Dabei fungiert ein computergesteuerter Laserstrahl als Stift und stellt die geforderte Struktur mit einer Druckertinte her. Die Tinte ist in diesem Fall ein Fotolack. Mit diesem 3D-Druckverfahren (lernen Sie hier weitere kennen) lassen sich beliebige 3D-Objekte bis zu wenigen Mikrometern Größe herstellen, berichtet das Technologieinstitut.

Das neuartige Verfahren für den 3D-Druck von beweglichen Mikrostrukturen wurde von den Wissenschaftlern des KIT gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Professor Martin Wegener, vom Institut für Angewandte Physik und dem Institut für Nanotechnologie des KIT, sowie Chemikern aus Karlsruhe und Heidelberg entwickelt.

Mikrostrukturen
Die 3D-gedruckten Objekte sind auch nach dem Druck noch beweglich (Bild © Marc Hippler, KIT).

Stimuli-responsive Polymere als Druckertinte

Als Druckertinte wählten sie stimuli-responsive Polymere, die ihre Eigenschaften durch äußere Signale ändern können. Zum Beispiel verändert die chemische Verbindung poly(N-Isopropysycraymide) seine Form automatisch, sobald die Temperatur minimal höher eingestellt wird, als die vorherrschende Raumtemperatur. Alle damit gefertigten 3D-Objekte funktionieren auch in einem wässrigen Umfeld, weshalb sie optimal für Anwendungsbereiche in der Biologie und Biomedizin geeignet sind.

Wie Marc Hippler, Erstautor der Studie in der oben genannten Mitteilung des KIT erklärte, sei die Methode soweit entwickelt worden, dass auch komplexe Strukturen damit gedruckt werden können. Beweglichen Teile reagieren mittels äußerer Stimulation nicht sofort, sondern zeigen unterschiedliche und genau definierte Reaktionen. Die Umsetzung erfolgte mit der Graustufenlithografie, bei welcher der Fotolack nicht an jeder Stelle, sondern abgestuft belichtet wird.

Hier können geforderte Materialeigenschaften und damit die Stärke der Bewegung bei einer bestimmten Temperaturveränderung exakt eingestellt werden. Über Computersimulationen können die gewünschten Bewegungen genau vorhergesagt werden und ermöglichen so ein rationales Design komplexer 3D-Gebilde.

Bewegliche Mikrostrukturen
In dem Magazin Natur Communications präsentieren die Autoren ihre Arbeiten unter dem Titel „Controlling the shape of 3D microstructures by temperature and light“ (Bild © Marc Hippler, Eva Blasco, Jingyuan Qu, Motomu Tanaka, Christopher Barner-Kowollik, Martin Wegener, Martin Bastmeyer/nature.com).

Fokussiertes Licht als Steuersignal

Das Forscherteam setzt statt Temperatur ein fokussiertes Licht als Steuersignal ein, mit dem in einer komplexen 3D-Anordnung einzelne Mikrostrukturen gezielt angesteuert werden können. Beispielsweise könnte dies in mikrofluidischen Systemen eingesetzt werden. Der Fotolack kann bei Raumtemperatur geschaltet werden, weshalb er auch für Einsatzbereiche in der biologischen Grundlagenforschung geeignet ist, wie etwa die gezielte mechanische Beeinflussung bestimmter Zellen.

Die interdisziplinäre Forschungsarbeit war im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ entstanden, was ein gemeinsamer Forschungsverbund des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Heidelberg ist. Das KIT arbeitet seit 2018 mit „Glassomer“ auch an 3D-Druck von Glas. Mit dem entwickelten Verfahren könnten optische Linsen aus Glas optimiert werden. Im Jahr 2017 zeigten KIT-Forscher einen Würfel, der mit einem 3D-Drucker hergestellt wurde und sich bei Belastung selbst verdreht. Eine Übersicht weiterer Forschungen, Projekte und Entwicklungen am Karlsruher Institut für Technologie finden Sie auf dieser Seite und regelmäßig neu im 3D-grenzenlos Newsletter.

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