Laserdrucker Wissenschaftler präsentieren 3D-Laser-Nanodrucker als kleines Tischgerät

Von Marie Lücke

Forschende von dem Karlsruher Institut für Technologie und der Universität Heidelberg zeigen, wie dreidimensionale Nanostrukturen mit kompakten Tischgeräten gedruckt werden können.

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Elektronenmikroskopische Rekonstruktion einer 3-D-Nanostruktur, die mit dem Zwei-Stufen-Verfahren gedruckt wurde (links) sowie lichtmikroskopische Aufnahme (rechts).
Elektronenmikroskopische Rekonstruktion einer 3-D-Nanostruktur, die mit dem Zwei-Stufen-Verfahren gedruckt wurde (links) sowie lichtmikroskopische Aufnahme (rechts).
(Bild: Professor Rasmus Schröder, Universität Heidelberg; Vincent Hahn, KIT)

Die Laser in heutigen Laserdruckern für Papierausdrucke sind winzig klein. Bei 3D-Laserdruckern, die dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen drucken, sind dagegen bisher große und kostspielige Lasersysteme notwendig. Laut einer Mitteilung haben Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Universität Heidelberg nun ein anderes Verfahren entwickelt.

Für additive Fertigung mit 3D-Druck ist Laserdrucken heute das Verfahren der Wahl, heißt es weiter. Denn es bietet von allen Verfahren die beste räumliche Auflösung und zugleich eine extrem hohe Druckgeschwindigkeit. Beim Laserdrucken richtet sich ein fokussierter Laserstrahl auf eine lichtempfindliche Flüssigkeit. Im Brennpunkt legt das Laserlicht in speziellen Molekülen einen Schalter um, der eine chemische Reaktion auslöst. Sie führt zu einer lokalen Verfestigung des Materials.

Durch Verschieben des Brennpunkts sollen beliebige Mikro- und Nanostrukturen hergestellt werden können. Die chemische Reaktion wird dabei durch die sogenannte Zwei-Photonen-Absorption bewirkt. Das heißt, dass zwei Lichtteilchen (Photonen) das Molekül gleichzeitig anregen, was die gewünschte chemische Veränderung bewirkt. Diese gleichzeitige Anregung ist jedoch äußerst selten, weswegen komplexe gepulste Lasersysteme eingesetzt werden müssen, was wiederum größere Dimensionen beim Laserdrucker zur Folge habe.

Kompaktere 3-D-Drucker durch Zwei-Stufen-Verfahren

Kompaktere, kleinere Drucker sind dagegen nach Angaben des Instituts mit dem sogenannten Zwei-Stufen-Verfahren möglich. Dabei versetzt das erste Photon das Molekül in einen Zwischenzustand. In der zweiten Stufe bringt ein zweites Photon das Molekül aus dem Zwischenzustand in den gewünschten Endzustand – und startet die chemische Reaktion.

Der Vorteil: Dies muss nicht wie bei der Zwei-Photonen-Absorption gleichzeitig geschehen. „Daher gelingt der Prozess mit kompakten und leistungsarmen Dauerstrich-Laserdioden“, erklärt Vincent Hahn, Erstautor der Publikation, vom Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT.

Die hierfür erforderlichen Laserleistungen liegen sogar deutlich unter denen von handelsüblichen Laserpointern. Für dieses Druckverfahren müssen jedoch spezifische Fotolacke verwendet werden. „Die Entwicklung dieser Fotolacke hat einige Jahre gedauert und war auch nur durch die Zusammenarbeit mit Chemikerinnen und Chemikern möglich“, erläutert Professor Martin Wegener vom APH.

Über ihre Arbeit berichten die Wissenschaftler des KITs und der Universität Heidelberg in der Zeitschrift Nature Photonics. Die Veröffentlichung entstand im Rahmen des gemeinsamen Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“.

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