Lektion 13.8Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

Zwei-Photonen-Polymerisation

Härtet Harz nur im Laserfokus aus, um 3D-Mikroteile zu drucken

Die Zwei-Photonen-Polymerisation ist 3D-Druck im Maßstab einer lebenden Zelle. Ein fokussierter Laser härtet flüssiges Harz nur in seinem Brennpunkt aus, sodass das Bewegen dieses Punkts Objekte mit Details unter einem Mikrometer (0,001 mm) zeichnet. Sie druckt Mikrolinsen auf Glasfaserspitzen und Gerüste für das Züchten von Zellen.

Foto: Spanholz, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Zwei-Photonen-Polymerisation · Drucker von der Seite, Fokus vergrößert und fertiges TeilDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; die Bilder rechts zoomen auf den Fokus und zeigen das fertige Teil.

So funktioniert es

Einen Tropfen Harz aufbringen. Ein Tropfen flüssiges Photoharz (ein Kunststoff, der unter Licht aushärtet) kommt auf einen Glasobjektträger oder direkt auf eine Faserspitze oder einen Chip.
Den Laser fokussieren. Femtosekundenpulse nahinfraroten Lichts (knapp jenseits von Rot, für uns unsichtbar) laufen durch ein Mikroskopobjektiv, eine leistungsstarke Linse. Sie bündeln sich zu einem Punkt im Inneren des Harzes.
Nur den Fokus aushärten. Nur im Fokus ist das Licht intensiv genug, dass Moleküle zwei Photonen (Lichtteilchen) auf einmal aufnehmen. Das härtet ein Voxel aus: einen 3D-Pixel von etwa einem Mikrometer oder kleiner.
In 3D schreiben. Spiegel und Verfahrtische bewegen den Fokus entlang von Bahnen, die aus einem CAD-Modell geschnitten wurden, Punkt für Punkt und Schicht für Schicht. Das Teil wächst in der Flüssigkeit, oft ohne Stützstrukturen.
Die Flüssigkeit abwaschen. Ein Lösemittel spült das nicht ausgehärtete Harz weg und legt das feste Mikroteil frei. Empfindliche Teile werden sorgfältig getrocknet, damit die Oberflächenspannung der Flüssigkeit sie nicht verbiegt.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Photoharze: Acrylate, Epoxide wie SU-8, hybride organisch-anorganische Glasharze; einige biokompatible oder glasbildende Harze
Typische Teile: Mikrolinsen und Optiken, Zellgerüste, mikrofluidische Filter, Gitter-Metamaterialien, rekordkleine Skulpturen
Bauteilgröße: Strukturen ab etwa 0,1 µm; ganze Teile meist Mikrometer bis einige Millimeter
Präzision: Details unter einem Mikrometer; Forschungssysteme erreichen Strukturen um 100 nm oder weniger
Oberfläche: Glatt genug für Optiken; feine Schichtstufen unter dem Elektronenmikroskop sichtbar
Geeignete Losgröße: Prototypen und kleine Serien; auch Urmodelle zum Abformen von Kopien
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug; Drucker kosten oft mehrere Hunderttausend Dollar
Geschwindigkeit: Langsam: Ein Teil von wenigen Millimetern Größe kann Stunden dauern

Stärken und Grenzen

Stärken

Echtes freies 3D mit Auflösung unter einem Mikrometer
Keine Maske, keine Form: direkt vom CAD-Modell zum Teil
Druckt auf Fasern, Chips und in Kanäle hinein
Glatte Oberflächen in optischer Qualität sind möglich

Grenzen

Sehr langsam bei allem, was über einige Millimeter hinausgeht
Kleine Bauvolumen und teure Drucker
Beschränkt auf lichthärtende Harze
Schrumpfung verzieht Teile, sofern die Konstruktion sie nicht ausgleicht

Wo es eingesetzt wird

PhotonikMikrolinsen auf Faserspitzen, Wellenleiter, diffraktive Optiken
BiowissenschaftenGerüste für Zellen und Stammzellforschung, Mikronadeln
Mikrofluidik3D-Filter und Mischer, die in Kanälen gedruckt werden
MEMS und SensorenMikrofedern, Mikrogreifer, Spitzen für Rasterkraftmikroskope
MaterialforschungMechanische Metamaterialien (Gitter mit ungewöhnlichen Eigenschaften), Nanogitter
Kunst und WissenschaftskommunikationMikroskulpturen und rekordkleine Objekte

So erkennen Sie es

Sie werden sie fast nie zu Gesicht bekommen: Die Teile sind kleiner als ein Sandkorn und finden sich in Laboren, bei Prototypen von Optiken und in Forschungsgeräten.
Unter dem Mikroskop: perfekt geformte 3D-Objekte mit feinen treppenartigen Schichtlinien, wie ein winziger 3D-Druck.
Überhänge, Gitter und geschlossene Hohlformen, die sich aus keiner Form entnehmen ließen.
Eine Linse oder Struktur, die direkt auf dem Schnittende einer Glasfaser sitzt.

Im Vergleich mit

Stereolithografie8.2härtet Harz ebenfalls mit Licht aus, aber Schicht für Schicht in einem Bad; viel größer und schneller, mit Details von einigen zehn Mikrometern.Femtosekundenlaser-Bearbeitung13.6derselbe Lasertyp, aber er trägt Material ab, statt es aufzubauen.Volumetrisches Drucken8.10härtet Harz ebenfalls in der Flüssigkeit aus, aber ein ganzes Objekt auf einmal aus vielen Richtungen; schnell, aber weit gröber.

Ansehen

g Fun Facts online · Eine kurze, einfache Erklärung des Prinzips

scientificblogging · Ein Rennwagen, kleiner als ein Sandkorn, wird gedruckt

Nanoscribe · Gedruckte Mikroteile und Elektronenmikroskop-Aufnahmen

UpNano · Ein kommerzieller Drucker und wie seine Teile aufgebaut sind

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Multiphotonen-Lithografie — Prinzip, Materialien und Anwendungen; wenige Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Das Harz härtet nur dort aus, wo zwei Photonen gleichzeitig eintreffen: im Fokus des Lasers.
Das Bewegen dieses Fokus zeichnet echte 3D-Formen mit Details unter einem Mikrometer.
Es ist langsam und kleinteilig: ideal für Mikrooptiken, Gerüste und Prototypen.