Forschung & Entwicklung

Präzise Mikro-3-D-Drucker

Die Funktionen eines Lasersystems wurden so erweitert, dass sich mit Mikro-3-D-Druckern komplexere Strukturen herstellen lassen. Die Technik hilft etwa dabei, neue Mikrostrukturen für Oberflächen von Bauteilen zu produzieren, um die Reibung zu senken.

Der Markt für 3-D-Drucker wächst: Mit ihnen lassen sich Produkte schnell und einfach herstellen. Doch nicht nur in der für uns sichtbaren Welt kommen sie zum Einsatz, sondern auch im Nano- und Mikrokosmos. Die Druckerzeugnisse, mit denen sich die Physiker um Prof. Georg von Freymann vom Lehrstuhl für Optische Technologien und Photonik an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) beschäftigen, sind derartig winzig, dass sie für das menschliche Auge nicht sichtbar sind, höchstens als Körnchen. Sie sind kleiner als der Durchmesser eines Haares und kleinste Strukturdetails liegen in Bereichen von rund 100 Nanometern. Erst das Rasterelektronenmikroskop macht sie und ihre filigranen Formen sichtbar.

Bei Mikro-3-D-Drucker kommen lithografische Verfahren zum Einsatz. Ein Laserstrahl belichtet hierbei eine viskose Kunststoff-Flüssigkeit. Die Intensität des Lasers ist so hoch, dass es zu einer lokalen chemischen Reaktion kommt und der Kunststoff aushärtet. Dabei gibt ein Computerprogramm die gewünschte 3-D-Form vor. Nachdem der belichtete Teil ausgehärtet ist, kann die restliche Flüssigkeit entfernt werden.

Die Kaiserslauterer Physiker arbeiten schon lange mit dieser Technik und entwickelten sie nun weiter: Sie haben die Funktionalität der Drucker erweitert. „Wir können Amplitude, Phase und Polarisation des Laserstrahls kontrollieren“, erklärt Freymann. Damit ist es den Forschern möglich, mit dem Druckverfahren deutlich komplexere Strukturen herzustellen.

Zum Einsatz kommt die Technik in verschiedenen Bereichen. Im Sonderforschungsbereich 926 „Bauteiloberflächen: Morphologie auf der Mikroskala“ arbeiten die Physiker zum Beispiel mit Kollegen aus dem Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik zusammen. Sie entwickeln neuartige Mikrostrukturen für die Oberfläche von Bauteilen. Auf diese Weise lasse sich zum Beispiel die Reibung und dadurch der Verschleiß senken, sagt Freymann. Solche Methoden sind darüber hinaus von Interesse, um etwa die Ansammlung von Zellen zu kontrollieren. In vielen Bereichen lagern sich Mikroorganismen in Form von Biofilmen an. Das kann in Krankenhäusern sein, aber auch bei Produktionsanlagen in der Industrie. Mit speziell strukturierten Oberflächen kann man dies verhindern. Umgekehrt ist es aber auch möglich, Zellen gezielt anzusiedeln. Beispielsweise in der Forschung, um Zellkulturen besser wachsen zu lassen.

Auch für die Grundlagenforschung ist die Laserdrucktechnik von Bedeutung, um etwa Phänomene der Quantenphysik genau zu untersuchen. Damit können Modelle entwickelt werden, in denen unter anderem die Positionen einzelner Atome verschoben werden. Es ist zu sehen, was auf Quantenebene geschieht.

von mn

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