In einer Reihe von Publikationen hat ein Team der Universität Freiburg unter der Leitung von Manuel Luitz das Potenzial des 2-Photonen-Polymerisations-3D-Drucks (2PP-3D-Druck) über seine bisherigen Grenzen hinaus erweitert. Nachdem die Wissenschaftler des sogenannten NeptunLabs im Jahr 2021 gezeigt hatten, dass komplexe 3D-Mikrostrukturen aus Platin mit Auflösung im Submikrometerbereich gedruckt werden können, gelang es der Forschungsgruppe jetzt, ähnliche Strukturen aus Wolfram sowie komplexe mikrofluidische Chips mit einer Auflösung von nur 1 μm in noch nie dagewesener Geschwindigkeit herzustellen. Die Forschungen erfolgten mit einem NanoOne 2PP-3D-Drucker des österreichischen Unternehmens UpNano.
Zwei wesentliche Grenzen für eine breitere Anwendung des hochauflösenden 2PP-3D-Drucks sind Druckgeschwindigkeit und Verfügbarkeit der Materialien für die notwendige Photopolymerisation. Manuel Luitz hat diese Einschränkungen während seiner Zeit am Labor für Verfahrenstechnik (NeptunLab) an der Universität Freiburg in Deutschland in mehrjähriger Arbeit deutlich verringert. Die Ergebnisse seiner Forschungstätigkeit wurden in drei aufeinanderfolgenden Publikationen veröffentlicht.
2PP-3D-Druck von komplexen mikrofluidischen Chips
In dieser neuesten Entwicklung haben Luitz und Kollegen ein Entwicklungsschema für komplexe mikrofluidische Chips mit Auflösung im einzelnen Mikrometerbereich mit dem NanoOne-Drucker von UpNano definiert. Dieser Drucker ist, laut Hersteller, der schnellste 2PP-3D-Drucker auf dem Markt, der hochauflösenden 3D-Druck mit einer erstaunlichen Auflösung von fünfzehn Größenordnungen ermöglicht. Mit der Leistung des Druckers konnte das Team einen Chip drucken, der über eine Chip-to-World-Schnittstelle mit einer druckgetriebenen Pumpe verbunden werden konnte.
Bild: UpNano GmbH
„Dies ist ein Durchbruch bei der Herstellung von mikrofluidischen Chips“, erklärt Manuel Luitz, „denn eines der größten Hindernisse beim hochauflösenden 3D-Druck dieser Teile ist das Freispülen der eingebetteten Kanäle von nicht ausgehärtetem Material. So konnten wir Mäanderchips mit Kanallängen von bis zu 20 cm, Tröpfchengeneratorchips und einen Zellsortierungschip auf Basis deterministischer lateraler Verschiebung mit Säulendurchmessern von 30 μm und Säulenabständen von 4 μm herstellen.“ Mikrofluidische Chips mit Zentimeterabmessungen und μm-Auflösung seien damit in einem überschaubaren Zeitrahmen von weniger als 12 Stunden mit dem NanoOne druckbar, so Luitz.
Verfahren des KIT erleichtert das Drucken von Quarzglas auf Halbleiterchips
Komplexe 3D-Mikrostrukturen aus Wolfram
Kurz zuvor setzte Luitz den NanoOne-Drucker für einen ganz anderen Zweck ein, der die Palette der Materialien, die mit 2PP-3D-Druck gefertigt werden können, erweitern würde. Er „zähmte“ Wolfram und Wolframkarbid für dieses hochauflösende additive Fertigungsverfahren. Das war keine leichte Aufgabe, denn beide Materialien sind für ihre extreme Härte (Mohs-Skala 9,0) und Hitzebeständigkeit (Schmelzpunkt 3.400 Grad Celsius) bekannt und daher schwer zu bearbeiten. Hochauflösende Objekte aus Wolfram und seinen Karbiden sind jedoch für Anwendungen wie Emitterspitzen, Sonden, Mikrowerkzeuge sowie Metamaterialien oder Katalysatoren sehr gefragt.
Bild: UpNano GmbH
„Mit einem NanoOne-Drucker konnten wir ein Herstellungsverfahren auf Basis eines organisch-anorganischen Photoresins mit Wolfram-Ionen entwickeln“, sagt Luitz, „Die Polymerteile werden dann thermisch entbunden und reduziert, so dass Wolframteile mit einer Endauflösung von 2 μm und Wolframkarbidteile mit einer Auflösung von 7 μm entstehen.“
Komplexe 3D-Mikrostrukturen aus Platin
Der Erfolg von Luitz bei der Erforschung von Wolfram für den 2PP-3D-Druck kam nicht von ungefähr: Ein ähnliches Ergebnis hatte die Forschungsgruppe bereits mit Platin erzielt. Tatsächlich konnten sie sowohl freistehende Nanosäulen als auch komplexe 3D-Platin-Mikrostrukturen mit einer Auflösung von 300 nm herstellen. Solche kleinen Strukturen werden in verschiedenen technischen Anwendungen zum Einsatz kommen, unter anderem in Metamaterialien und in der Katalyse, wo die große Oberfläche und die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Platin sehr erwünscht sind. (eve)
